Il comportamento dei magneti quantistici microscopici è stato a lungo una materia insegnata nelle lezioni di fisica teorica. Tuttavia, indagare le dinamiche di sistemi che sono molto fuori equilibrio e osservarli "dal vivo" è stato finora difficile. Ora, i ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching hanno realizzato esattamente questo, utilizzando un microscopio a gas quantistico. Con questo strumento, i sistemi quantistici possono essere manipolati e quindi ripresi con una risoluzione così alta che anche i singoli atomi sono visibili. I risultati degli esperimenti sulle catene lineari di spin mostrano che il modo in cui il loro orientamento si propaga corrisponde alla cosiddetta superdiffusione di Kardar-Parisi-Zhang. Ciò conferma una congettura emersa di recente da considerazioni teoriche.

Un team di fisici attorno al Dr. Johannes Zeiher e al Prof. Immanuel Bloch ha occhi su oggetti che gli altri difficilmente riescono a vedere. I ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) di Garching utilizzano un cosiddetto microscopio a gas quantistico per rintracciare i processi su scala minuscola della fisica quantistica. Un tale strumento consente, con l'aiuto di atomi e laser, di creare specificamente sistemi quantistici con le proprietà desiderate e di studiarli ad alta risoluzione. In questi esperimenti, i ricercatori si concentrano anche sui fenomeni di trasporto, come gli oggetti quantistici si muovono in determinate condizioni esterne.

Il team ha ora fatto una sorprendente scoperta sperimentale. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il trasporto unidimensionale degli spin - il termine "spin" sta per una specifica proprietà quantistica magnetica degli atomi e di altre particelle - assomiglia a fenomeni macroscopici in determinate aree. Per la maggior parte, i processi nel regno quantistico e nel mondo di tutti i giorni differiscono in modo significativo. "Ma il nostro lavoro rivela un'interessante connessione tra i sistemi di spin della meccanica quantistica negli atomi freddi e i sistemi classici come la crescita di colonie batteriche o la diffusione di incendi", afferma Johannes Zeiher, capogruppo della divisione Quantum Many-Body Systems presso MPQ. "Questa scoperta è del tutto inaspettata e indica una profonda connessione nel campo della fisica del non equilibrio che è ancora poco conosciuta."

I fisici si riferiscono a tale analogia teorica tra il movimento casuale nei sistemi quantistici e classici come "universalità". In questo caso specifico, è l'universalità Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), un fenomeno precedentemente noto solo dalla fisica classica.

L'esponente rivelatore

Per osservare il fenomeno al microscopio, il team di Garching ha prima raffreddato una nuvola di atomi a temperature vicine allo zero assoluto. In questo modo si potrebbero escludere movimenti dovuti al calore. Quindi hanno bloccato gli atomi ultrafreddi in un potenziale "a forma di scatola" appositamente formato, formato da una disposizione di minuscoli specchi. "Abbiamo usato questo per studiare il rilassamento di una singola parete del dominio magnetico in una catena di 50 spin disposti linearmente", spiega David Wei, un ricercatore nel gruppo di Johannes Zeiher. Il muro del dominio separa le aree con orientamento identico degli spin vicini l'una dall'altra. I ricercatori hanno prima creato il muro del dominio per l'esperimento utilizzando un nuovo trucco, in base al quale un "campo magnetico efficace" è stato generato dalla proiezione della luce. In tal modo, i ricercatori possono sopprimere fortemente gli accoppiamenti tra gli spin, "bloccandoli" efficacemente in posizione.

Il rilassamento all'interno della catena di spin si è verificato dopo che gli accoppiamenti tra gli spin sono stati attivati ​​in modo controllato e, come si è scoperto, ha seguito uno schema caratteristico. "Questo può essere descritto matematicamente da una legge di potenza con l'esponente 3/2", dice Wei, un accenno alla connessione con l'universalità KPZ. Ulteriori prove di questa relazione sono state fornite quando i ricercatori hanno rilevato il movimento dei singoli giri, che è stato rivelato attraverso il microscopio a gas quantistico.

"Questa elevata precisione è stata la base per una valutazione statistica dettagliata", afferma Zeiher. "Il sorprendente corso della diffusione dello spin che il nostro esperimento ha mostrato corrisponde nella sua forma matematica approssimativamente alla diffusione di una macchia di caffè su una tovaglia, ad esempio", spiega il fisico Max Planck. Circa due anni fa, sulla base di considerazioni teoriche, un gruppo di teorici sospettava che potesse esistere una connessione così sorprendente. Tuttavia, mancava ancora una conferma sperimentale di questa ipotesi.

Un vecchio modello stupisce i fisici

Per la descrizione dei fenomeni di spin della meccanica quantistica, i fisici hanno utilizzato con molto successo per molto tempo il cosiddetto modello di Heisenberg (ma è stato solo di recente che i fenomeni di trasporto di spin possono essere descritti teoricamente all'interno di questo modello). "I nostri risultati mostrano che nuove intuizioni sorprendenti sono ancora possibili anche all'interno di un quadro teorico consolidato", sottolinea Johannes Zeiher. "E sono la prova di come la teoria e l'esperimento si incrociano nella fisica."

I risultati che ora sono stati raggiunti dal team di Garching non sono solo di valore accademico. Potrebbero anche essere utili per applicazioni tecniche tangibili. Ad esempio, gli spin costituiscono anche la base di alcune forme di computer quantistici. La conoscenza delle proprietà di trasporto dei vettori informativi potrebbe essere di fondamentale importanza per la realizzazione pratica di tali nuove architetture di computer.

Lo studio appare in Scienza . + Esplora ulteriormente

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