Una svolta inaspettata nel sistema quantistico

"Nessuno scienziato pensa per formule", avrebbe detto una volta Albert Einstein al suo collega Leopold Infeld. In effetti, per i fisici che si occupano di cose astratte come la fisica quantistica è spesso estremamente utile lavorare con immagini vivide piuttosto che con simboli matematici. I ricercatori guidati da Tilman Esslinger, professore presso l'Istituto di Elettronica Quantistica del Fare ricerca all'ETH di Zurigo, si sono sentiti così quando hanno recentemente scoperto un nuovo effetto nel loro sistema meccanico quantistico. Sebbene nel loro esperimento abbiano studiato atomi minuscoli e particelle di luce, sono stati in grado di avvicinarsi alle loro osservazioni con un'immagine pratica: quella di un asse che ruota in un cuscinetto ad albero. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science.

Un sistema quantistico complesso

"In realtà non stavamo cercando questo effetto", dice Esslinger. "Lui e i suoi collaboratori hanno affrontato un argomento molto complesso: Un sistema quantistico in cui le singole particelle interagiscono tra loro e che è contemporaneamente guidato dall'esterno e dissipativo. "Dissipativo" significa che, a causa della dispersione di energia, gli stati quantistici delle particelle non cambiano in modo coerente nel tempo, cioè in modo tale da conservare i loro stati di sovrapposizione. Al contrario, una connessione controllata con il mondo esterno fa sì che gli stati di sovrapposizione scompaiano gradualmente. Se la dissipazione è molto forte, essi scompaiono molto rapidamente e le particelle si comportano in modo simile alla fisica classica, che conosciamo dall'osservazione quotidiana. In assenza di dissipazione, invece, lo sviluppo temporale del sistema di particelle è determinato esclusivamente dalla meccanica quantistica, una forma ideale che la fisica utilizza, ad esempio, per la costruzione di computer quantistici.

Modelli atomici

"Questi due estremi possono essere calcolati e compresi abbastanza bene", spiega Tobias Donner, che lavora come scienziato senior nel laboratorio di Esslinger. "Per costruire un sistema quantistico di questo tipo in laboratorio, la fisica ha raffreddato gli atomi a temperature vicine allo zero assoluto, circa -273 gradi Celsius, e li ha esposti a un raggio laser focalizzato che intrappola e guida gli atomi in una sorta di griglia luminosa. Ciascuno degli atomi ha uno "spin" che può puntare verso l'alto o verso il basso (come l'ago di una bussola che punta verso nord o verso sud). Inoltre, gli atomi freddi sono circondati da due specchi in una cavità, che riflettono la luce diffusa dagli atomi avanti e indietro.

L'interazione tra gli atomi, il raggio laser e la luce nella cavità fa sì che gli atomi si dispongano spontaneamente in uno schema a scacchiera. Questo può avvenire in due modi. In una variante, ci sono solo atomi sulle caselle "bianche", per così dire, mentre le caselle nere rimangono vuote (vedi illustrazione). Nell'altra variante, ci sono anche due tipi di campi, rosso e verde, ma i campi rossi contengono solo atomi con spin verso l'alto e quelli verdi solo atomi con spin verso il basso.

Una svolta sorprendente

Quale di queste due varianti gli atomi privilegiano dipende dalla direzione di oscillazione della luce laser irradiata, secondo le regole della meccanica quantistica - almeno quando gli atomi non sono esposti a dissipazione. Quando la fisica ha condotto l'esperimento in un regime in cui l'influenza della dissipazione (dovuta alla perdita di particelle di luce dalla cavità) era abbastanza grande, è accaduto improvvisamente qualcosa di insolito. "I nostri dati non mostravano più uno dei due schemi, ma sembrava che gli atomi continuassero a ruotare attraverso gli schemi in una certa direzione", dice Esslinger, descrivendo i risultati inaspettati. "? stata una scoperta entusiasmante, ma non avevamo assolutamente idea del perché questo accadesse".

Una forza insolita

Semplificando le equazioni della meccanica quantistica per il loro esperimento, i fisici sono riusciti a scoprire un parallelo con un sistema meccanico. In effetti, le formule assomigliano molto a quelle che descrivono un asse rotante in un cuscinetto ad albero. Tra l'asse e il cuscinetto dell'albero c'è un fluido lubrificante viscoso che dovrebbe garantire una rotazione uniforme. Tuttavia, se l'asse si allontana leggermente dal centro del cuscinetto dell'albero, si crea una forza di attrito piuttosto insolita, che dipende dalla posizione dell'asse. La forza è causata dal fatto che la distanza tra l'asse rotante e il cuscinetto dell'albero fermo diminuisce lungo una direzione, determinando forze di attrito diverse che agiscono sull'asse e sul cuscinetto. La forza risultante, dipendente dalla posizione, è perpendicolare alla direzione in cui l'asse si è spostato. In risposta, il centro dell'asse inizia a muoversi a spirale intorno al centro del cuscinetto dell'albero.

Ora che la fisica è in grado di descrivere l'inaspettato effetto quantistico con un'immagine vivida, sta già pensando al passo successivo: utilizzarlo per controllare e regolare in modo specifico i sistemi quantistici. "Normalmente, la dissipazione porta alla modifica o all'indebolimento degli effetti quantistici esistenti, ma in questo caso abbiamo un effetto che si produce solo attraverso la dissipazione", spiega Esslinger. I ricercatori si chiedono quindi se effetti simili possano verificarsi più frequentemente nei sistemi quantistici e come possano essere utilizzati nella tecnologia quantistica attualmente in fase di sviluppo.