Osservazione in tempo reale di modi quantistici collettivi

Uno stato cilindrico è simmetrico alla rotazione: se lo si fa ruotare intorno al suo asse, ha sempre lo stesso aspetto. Tuttavia, se si esercita su di essa una forza sempre maggiore in direzione longitudinale, alla fine si deforma e perde la sua simmetria rotazionale. Questi processi, noti come "rottura spontanea della simmetria", avvengono in modo sottile anche nel mondo microscopico dei quanti, dove sono responsabili di una serie di fenomeni fondamentali come il magnetismo e la superconduttività. Un team di ricercatori guidato dal professor Tilman Esslinger dell'ETH e dallo scienziato senior Tobias Donner dell'Istituto di elettronica quantistica ha ora studiato in dettaglio le conseguenze della rottura spontanea della simmetria utilizzando un simulatore quantistico. I risultati di ricerca sono stati pubblicati di recente sulla rivista pagina esternaScienza.

Transizioni di fase attraverso la rottura di simmetria

Nel loro nuovo lavoro, Esslinger e i suoi collaboratori sono particolarmente interessati alle transizioni di fase, processi in cui le proprietà di un sistema fisico cambiano drasticamente, come la transizione di un materiale da solido a liquido o la magnetizzazione spontanea di un solido. In alcuni tipi di transizioni di fase causate dalla rottura spontanea della simmetria, si verificano i cosiddetti modi di Higgs e Goldstone. Questi modi descrivono come le particelle di una sostanza reagiscono collettivamente alle perturbazioni esterne. "Finora queste eccitazioni collettive erano state rilevate solo indirettamente", spiega Julian Léonard, che ha conseguito il dottorato nel laboratorio di Esslinger e ora è postdoc all'Università di Harvard, "ma ora siamo riusciti a osservare direttamente il carattere di questi modi, che è determinato dalla simmetria".

Sombrero nel simulatore quantistico

A tal fine, la fisica ha costruito un simulatore quantistico - un sistema di laboratorio in cui i fenomeni quantistici possono essere studiati in coltura pura e in condizioni controllate. Il simulatore quantistico dei ricercatori del Fare all'ETH è costituito da atomi di rubidio estremamente freddi che vengono esposti a diverse onde luminose. Due risonatori ottici vengono utilizzati per creare un accoppiamento tra gli atomi e le onde luminose, che fa sì che la forma dell'energia potenziale degli atomi di rubidio assomigli a un'insalatiera a simmetria rotazionale. Le coordinate della superficie energetica corrispondono all'intensità della luce nei due risonatori. Utilizzando un raggio laser che genera un reticolo ottico, questa superficie di insalatiera può essere modificata in modo che, al di sopra di un'intensità critica del raggio laser, assomigli a un sombrero messicano con un rigonfiamento al centro.

In questa situazione, come nel caso dell'asta cilindrica, si verifica una rottura spontanea della simmetria: proprio come l'asta si piega improvvisamente in modo casuale in una direzione spaziale all'aumentare della forza, nell'esperimento di Esslinger gli atomi, che inizialmente si trovavano al centro dell'insalatiera, cercano tutti insieme un nuovo minimo energetico nel sombrero. Questo può essere ovunque nella scanalatura del sombrero, perché ogni punto lungo la scanalatura ha la stessa energia. Tuttavia, questo significa anche che gli atomi (in termini di energia) possono essere spostati collettivamente lungo il solco senza alcun apporto di energia, il che corrisponde al cosiddetto modo Goldstone. Se invece si vuole spingere gli atomi in senso radiale, allontanandoli o avvicinandoli al centro del sombrero, è necessario applicare l'energia potenziale necessaria per questo modo di Higgs. Questo può essere paragonato a un'asta piegata, che è facile da girare ma difficile da piegare ulteriormente.

Misurazione della moda in tempo reale

"Normalmente, i modi Goldstone e Higgs vengono rilevati indirettamente Chi sono, grazie all'energia richiesta", dice Andrea Morales, che ha partecipato all'esperimento anche come dottorando, "ma ora siamo stati anche in grado di studiare in tempo reale come si comportano questi modi quando il sistema è disturbato"."Per fare ciò, i ricercatori hanno inviato un breve impulso laser in uno dei risonatori ottici e hanno poi misurato le intensità luminose in entrambi i risonatori in funzione del tempo, da cui è stato possibile calcolare la posizione degli atomi nel sombrero energetico. Come previsto, solo la coordinata angolare lungo il solco cambiava dopo l'eccitazione di un modo Goldstone, mentre la posizione radiale variava nel modo Higgs.

Per Tilman Esslinger, l'osservazione diretta di un fenomeno a molti corpi importante e diffuso, ma in precedenza osservabile solo indirettamente, è uno dei punti di forza del simulatore quantistico: "In questi sistemi quantistici sintetici, abbiamo una realizzazione abbastanza ideale di ciò che avviene anche in natura, nei solidi o persino nelle singole molecole. L'osservazione diretta della dinamica dei modi Goldstone e Higgs nel simulatore quantistico approfondisce la nostra comprensione di ciò che accade in questi sistemi naturali".