La quantità di moto canonica e le densità di spin nell'interferenza di due onde gravitazionali. (A) Schema del setup sperimentale per l'osservazione del moto delle particelle nell'interferenza delle onde superficiali dell'acqua. (B) Proprietà di spin e quantità di moto di due onde gravitazionali interferenti con frequenze, ampiezze e vettori d'onda ortogonali k1 e k2 uguali. Il grafico teorico mostra le distribuzioni della densità di moto canonica P e della densità di spin S (Tabella 1). I grafici numerici e sperimentali descrivono le traiettorie di particelle microscopiche per tre periodi d'onda 6π/ω. La deriva di Stokes delle particelle e il loro moto ellittico corrispondono rispettivamente alla quantità di moto e allo spin canonici. I parametri sono x˜=2–√ kx, y˜=2–√ k y e ω/2π =6 Hz. a.u., unità arbitrarie. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm1295
Le onde d'acqua possono essere utilizzate per visualizzare concetti fondamentali, come il momento angolare di spin, che sorgono nella teoria relativistica dei campi, hanno dimostrato i fisici RIKEN. Ciò contribuirà a fornire nuove intuizioni su sistemi di onde molto diversi.
Introdotto per la prima volta quasi un secolo fa, il concetto di momento angolare di spin, o spin, è di fondamentale importanza nella fisica quantistica e sostiene i campi emergenti della spintronica e dell'informatica quantistica. Nella fisica delle scuole superiori, lo spin di un elettrone è solitamente descritto come l'elettrone che ruota sul suo asse, simile a una trottola. Ma una descrizione più completa dello spin è più astratta e non si arrende a semplici immagini.
Ora, Konstantin Bliokh del RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory ei suoi collaboratori hanno dimostrato che lo spin può apparire come piccoli movimenti circolari di particelle d'acqua nelle onde d'acqua. La loro ricerca è pubblicata su Science Advances .
"Siamo rimasti sorpresi dal fatto che i nostri collaboratori dell'Australian National University siano stati in grado di osservare questo effetto negli esperimenti così prontamente", afferma Bliokh. "Fenomeni simili nell'ottica e nell'acustica tendono ad essere troppo piccoli per essere osservati, ma con le onde d'acqua, tutto ha una dimensione di pochi millimetri e puoi osservarlo con i tuoi occhi. Questa è la bellezza di questo esperimento."
Era anche inaspettato perché il concetto di spin deriva dalla matematica che descrive la teoria relativistica dei campi e non si applica direttamente alle onde dell'acqua. Ma i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che esiste una connessione matematica tra le onde dell'acqua e la teoria formale del momento angolare di spin. Come spesso accade in fisica, diversi fenomeni che sembrano essere totalmente estranei possono essere collegati dalla matematica comune.
"È bello ottenere un quadro unificato di diversi sistemi di onde e vedere i paralleli tra di loro", afferma Bliokh. "Questo approccio illumina la fisica dietro i diversi fenomeni e potrebbe essere molto fruttuoso per lo sviluppo futuro di diversi campi". Osserva che le informazioni potrebbero fluire in entrambi i modi e che potremmo imparare di più sulla dinamica dei fluidi dalla connessione.
Bliokh ritiene inoltre che la dimostrazione potrebbe essere utile per insegnare la teoria quantistica dei campi. "Quantità come la densità di spin sono derivate in modo molto astratto. Appare in alcune equazioni, ma negli esperimenti si osservano cose completamente diverse", afferma Bliokh. "Per la prima volta, abbiamo osservato direttamente la densità di spin nelle onde dell'acqua. Quindi è davvero una piattaforma per visualizzare le proprietà nascoste nella teoria quantistica dei campi".
Il team sta ora esplorando come utilizzare la teoria dei campi per acquisire nuove conoscenze su altri tipi di onde classiche. + Esplora ulteriormente
