In linea di principio non si dovrebbero paragonare le mele alle arance. Tuttavia, in topologia, che è una branca della matematica, si deve fare proprio questo. Si scopre che mele e arance sono topologicamente identiche poiché entrambe non hanno un buco, a differenza delle ciambelle o delle tazze di caffè, ad esempio, che ne hanno entrambe uno (il manico nel caso della tazza), e quindi sono topologicamente uguali.
In un modo più astratto, i sistemi quantistici in fisica possono anche avere una specifica topologia a mela o a ciambella, che si manifesta negli stati energetici e nel movimento delle particelle. I ricercatori sono molto interessati a tali sistemi poiché la loro topologia li rende resistenti al disordine e ad altre influenze disturbanti, che sono sempre presenti nei sistemi fisici naturali.
Le cose diventano particolarmente interessanti se in più le particelle in un tale sistema interagiscono, nel senso che si attraggono o si respingono, come gli elettroni nei solidi. Studiare insieme la topologia e le interazioni nei solidi, tuttavia, è estremamente difficile. Un team di ricercatori dell'ETH guidato da Tilman Esslinger è ora riuscito a rilevare effetti topologici in un solido artificiale, in cui le interazioni possono essere attivate o disattivate utilizzando campi magnetici.
I loro risultati, che appaiono in Scienza , potrebbero essere utilizzati in futuro nelle tecnologie quantistiche.
Zijie Zhu, un dottorato di ricerca. studente del laboratorio di Esslinger e primo autore dello studio, e i suoi colleghi hanno costruito il solido artificiale utilizzando atomi estremamente freddi (atomi di potassio fermionici), che sono stati intrappolati in reticoli spazialmente periodici utilizzando raggi laser. Raggi laser aggiuntivi causavano il periodico movimento su e giù dei livelli di energia dei siti reticolari adiacenti, fuori sincronia l'uno rispetto all'altro.
Dopo qualche tempo, i ricercatori hanno misurato le posizioni degli atomi nel reticolo, inizialmente senza interazioni tra gli atomi. In questo esperimento hanno osservato che la topologia a ciambella degli stati energetici faceva sì che le particelle venissero trasportate da un sito reticolare, sempre nella stessa direzione, ad ogni ripetizione del ciclo.
"Questo può essere immaginato come l'azione di una vite", afferma Konrad Viebahn, Senior Postdoc nel team di Esslinger. Il movimento di avvitamento è una rotazione in senso orario attorno al proprio asse, ma di conseguenza la vite stessa si sposta in avanti. Ad ogni giro la vite avanza di una certa distanza, che è indipendente dalla velocità con cui si gira la vite. Tale comportamento, noto anche come pompaggio topologico, è tipico di alcuni sistemi topologici.
Ma cosa succede se la vite incontra un ostacolo? Nell'esperimento dei ricercatori dell'ETH l'ostacolo era un raggio laser aggiuntivo che limitava la libertà di movimento degli atomi in direzione longitudinale. Dopo circa 100 giri della vite, gli atomi si sono scontrati, per così dire, contro un muro. Nell'analogia usata sopra, il muro rappresenta una topologia a mela in cui il pompaggio topologico non può avvenire.
Ritorno sorprendente
Sorprendentemente, gli atomi non si sono semplicemente fermati al muro, ma si sono improvvisamente voltati. La vite si muoveva quindi all'indietro, pur continuando a girare in senso orario. Esslinger e il suo team spiegano questo ritorno con le due topologie a ciambella esistenti nel reticolo:una con una ciambella che gira in senso orario e un'altra che gira nella direzione opposta. Alla parete, gli atomi possono cambiare da una topologia all'altra, invertendo così la direzione del movimento.
Quindi i ricercatori hanno attivato un'interazione repulsiva tra gli atomi e hanno osservato cosa è successo. Ancora una volta, avevano una sorpresa:gli atomi ora giravano attorno a una barriera invisibile ancor prima di raggiungere la parete laser.
"Utilizzando modelli di calcolo, siamo stati in grado di dimostrare che la barriera invisibile è stata creata dagli atomi stessi attraverso la loro reciproca repulsione", spiega Ph.D. studentessa Anne-Sophie Walter.
"Con queste osservazioni abbiamo fatto un grande passo avanti verso una migliore comprensione dei sistemi topologici interagenti", afferma Esslinger, che studia tali effetti. Come passo successivo, vuole eseguire ulteriori esperimenti per indagare se la vite topologica è robusta come previsto rispetto al disordine e come si comportano gli atomi in due o tre dimensioni spaziali.
Esslinger ha in mente anche alcune applicazioni pratiche. Ad esempio, il trasporto di atomi o ioni mediante pompaggio topologico potrebbe essere utilizzato come autostrada dei qubit per portare i qubit (bit quantistici) nei computer quantistici nei posti giusti senza surriscaldarli o disturbare i loro stati quantistici.
Ulteriori informazioni: Zijie Zhu et al, Inversione delle derive di Hall quantizzate ai confini topologici non interagenti e interagenti, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adg3848
Informazioni sul giornale: Scienza
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