Il comportamento universale è una proprietà centrale delle transizioni di fase, che può essere osservata, ad esempio, nei magneti che non sono più magnetici al di sopra di una certa temperatura. Un team di ricercatori di Kaiserslautern, Berlino e Hainan, Cina, è riuscito per la prima volta a osservare un comportamento così universale nello sviluppo temporale di un sistema quantistico aperto, un singolo atomo di cesio in un bagno di atomi di rubidio.

Questa scoperta aiuta a capire come i sistemi quantistici raggiungono l’equilibrio. Ciò è interessante, ad esempio, per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications .

Le transizioni di fase in chimica e fisica sono cambiamenti nello stato di una sostanza, ad esempio il passaggio da una fase liquida a una fase gassosa, quando viene modificato un parametro esterno come la temperatura o la pressione.

"I magneti sono un buon esempio", afferma il professor Dr. Artur Widera, che dirige l'unità Individual Quantum Systems presso l'Università Kaiserslautern-Landau (RPTU).

"I ferromagneti mostrano una magnetizzazione spontanea senza campo magnetico esterno, cioè sono intrinsecamente magnetici, ma solo al di sotto di una certa temperatura critica. Quando la temperatura sale al di sopra di questo punto, il sistema subisce una transizione di fase continua; al di sopra di questa temperatura, il materiale non è più magnetico."

In un esperimento è possibile indurre in modo mirato un comportamento universale durante una transizione di fase modificando un parametro come la pressione, il magnetismo o la temperatura. La particolarità è che questo comportamento di una grandezza fisica "può essere descritto da alcuni parametri critici", continua Widera, "che a loro volta sono indipendenti dai dettagli del sistema in esame."

Questo comportamento universale può essere osservato anche nel mondo quantistico, cioè a livello atomico e subatomico?

Nel presente studio, il gruppo di ricerca di Widera ha posizionato singoli atomi di cesio in uno specifico stato quantico e li ha immersi in un gas di atomi di rubidio. Questa combinazione di un unico sistema quantistico (cesio) che interagisce con il bagno di rubidio viene definita negli ambienti specialistici anche un sistema quantistico aperto. Sia gli atomi di cesio che quelli di rubidio sono stati raffreddati fino quasi allo zero assoluto.

"Contrariamente alle solite osservazioni, nel nostro esperimento, il tempo era il parametro che dovrebbe raggiungere un punto critico, o tempo critico", afferma il dott. Jens Nettersheim, ricercatore associato presso Widera e coautore dello studio. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno dovuto eccitare il sistema quantistico con una grande quantità di energia.

"Ciò che abbiamo osservato ora è che l'entropia aumenta man mano che il sistema si sviluppa nel tempo", aggiunge Ling-Na Wu, un fisico teorico che ha accompagnato il progetto ed è il primo autore dello studio.

I ricercatori intendono il termine entropia come una misura del disordine in un determinato sistema e quindi anche della possibilità che le particelle si dispongano in un sistema, come in questo caso gli atomi di cesio e rubidio. Maggiore è il disordine in un sistema, maggiore è l’entropia e viceversa. Wu dice:"Ciò accade finché l'entropia non raggiunge il suo valore massimo, che poi diminuisce nuovamente."

È proprio a questo punto, il momento critico, che si instaura il comportamento universale del sistema quantistico. André Eckardt, professore di fisica teorica alla Technische Universität (TU) di Berlino, che ha guidato il lavoro teorico su questo progetto, spiega:" In questo momento accade quanto segue:in senso figurato, il sistema perde la memoria di ciò che è accaduto prima, o dell'esatto stato iniziale. Le dinamiche successive sono universali. In fisica, ciò significa che il comportamento può essere descritto con una formula e un parametro.

Lo studio mostra che nei sistemi quantistici aperti esiste un comportamento universale per quanto riguarda il tempo. Con questo lavoro i fisici contribuiscono a una migliore comprensione del funzionamento fondamentale di tali sistemi. "Non è ancora del tutto chiaro come tali sistemi quantistici aperti rilascino energia, cioè si rilassino, e come si raggiunga esattamente l'equilibrio termodinamico", spiega Widera.

Molte applicazioni tecniche oggi funzionano solo grazie alla tecnologia quantistica in esse incorporata. In futuro avrà un ruolo sempre più importante, ad esempio nei computer quantistici o nei sensori quantistici. È quindi importante capire cosa succede in tali sistemi e come interagiscono con il loro ambiente.

Il team di Widera ha effettuato gli esperimenti all'RPTU di Kaiserslautern; il lavoro teorico per questo studio è stato fornito dal gruppo di lavoro guidato dal professor Dr. André Eckardt dell'Istituto di fisica teorica della TU di Berlino, con il coinvolgimento anche di Ling-Na Wu dell'Università di Hainan in Cina.

Ulteriori informazioni: Ling-Na Wu et al, Indicazione del ridimensionamento critico nel tempo durante il rilassamento di un sistema quantistico aperto, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46054-9

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