UN NUOVO STATO DELLA MATERIA

Cubetti quantistici che non raffreddano

Utilizzando atomi ultra freddi di potassio intrappolati in “cristalli di luce”, un gruppo di ricerca tedesco e israeliano è riuscito a osservare per la prima volta un nuovo stato quantistico della materia che non termalizza, ovvero che non raggiunge l’equilibrio termico per un tempo molto lungo

ice-cubes-in-waterQuando mettiamo del ghiaccio nella nostra bibita estiva, ci aspettiamo che questa si raffreddi. Se non succedesse, rimarremmo alquanto perplessi e ci metteremmo a pensare quale strano fenomeno fisico ha impedito che dentro al bicchiere avvenisse la termalizzazione, ovvero il raggiungimento da parte di un sistema di un nuovo equilibrio termico – dopo che l’equilibrio iniziale è stato alterato – grazie all’interazione reciproca dei corpi fisici che costituiscono il sistema in questione.

Questo effetto termodinamico, che vediamo continuamente agire nella pratica quotidiana, sembra governare anche una realtà più sfuggente: quella microscopica, dove possono emergere “disturbi” quantistici. La termalizzazione avviene infatti per quasi tutti i sistemi interagenti che conosciamo in natura, anche quelli dove agiscono effetti quantistici iniziali. Effetti che vengono, però, “diluiti” su tutto il sistema e che risultano in genere non più rilevabili dopo breve tempo.

Un team di ricercatori appartenenti alla Ludwig-Maximilians University (LMU) di Monaco di Baviera e all’Istituto Max Planck di ottica quantistica (MPQ) di Garching, in Germania, in collaborazione con l’istituto di ricerca israeliano Weizmann, per la prima volta hanno creato e analizzato uno stato della materia detto localizzato a molti corpi (Many-Body Localized), dove, nonostante la presenza di interazioni, non avviene termalizzazione. In questo particolare stato isolante, finora solo teorizzato, il sistema mantiene una memoria quantistica del suo stato quantistico iniziale, anche per tempi lunghi. Il procedimento utilizzato e i risultati ottenuti sono spiegati in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista online Science Express.

Nel nuovo studio, i ricercatori presentano l’osservazione sperimentale di stati localizzati a molti corpi per atomi di potassio ultra freddi trattenuti in un cristallo artificiale di luce, un reticolo ottico che viene creato sovrapponendo e facendo interferire diversi fasci laser. Il reticolo ottico rappresenta una griglia microscopica di piccoli punti luce in cui gli atomi possono essere intrappolati, dotandoli di un potenziale rigido e casuale lungo una direzione di movimento. Sia l’intensità del disordine che l’interazione tra gli atomi possono essere controllate con precisione nell’esperimento.

Illustrazione schematica dell’esperimento. Una fluttuazione di densità iniziale è applicata agli atomi ultra freddi trattenuti in un reticolo ottico (1). Senza disordine, il sistema tende a un stato di equilibrio termico (2). In presenza di sufficiente disordine, il sistema permane per lungo tempo in uno stato non termalizzante in cui conserva memoria dello stato iniziale (3). Crediti: M. Schreiber, LMU

Illustrazione schematica dell’esperimento. Una fluttuazione di densità iniziale è applicata agli atomi ultra freddi trattenuti in un reticolo ottico (1). Senza disordine, il sistema tende a un stato di equilibrio termico (2). In presenza di sufficiente disordine, il sistema permane per lungo tempo in uno stato non termalizzante in cui conserva memoria dello stato iniziale (3). Crediti: M. Schreiber, LMU

L’esperimento prevede che al sistema così preparato venga applicata una fluttuazione di densità iniziale, osservandone poi l’evoluzione. Se la dinamica è termalizzante, allora la modulazione di densità viene rapidamente persa, dal momento che il punto di equilibrio termico non porta memoria dello stato iniziale in cui si trovava il sistema. In caso contrario, una persistente modulazione della densità indica localizzazione, proprio quello che i ricercatori hanno osservato.

«Siamo rimasti sorpresi nel constatare il tempo di vita di questo nuovo stato della materia», ha dichiarato Michael Schreiber, il dottorando alla Ludwig-Maximilians University che ha condotto la ricerca. «Anche se la natura di questo stato è eminentemente quantistica, si è rivelato molto più stabile di qualsiasi altro tipico stato a molti corpi che abbiamo esaminato in passato».

Referenze:

Observation of many-body localization of interacting fermions in a quasi-random optical lattice, di Michael Schreiber, Sean S. Hodgman, Pranjal Bordia, Henrik P. Lüschen, Mark H. Fischer, Ronen Vosk, Ehud Altman, Ulrich Schneider, Immanuel Bloch; Science Express.