Atomi di litio ultrafreddi rivelano forze quantistiche in competizione
Un sistema a reticolo ottico a tre componenti realizzato con litio-6 permette ai fisici di simulare complesse interazioni magnetiche e il comportamento dei quark subatomici.
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I fisici hanno costruito un simulatore quantistico a tre componenti utilizzando atomi di litio-6 ultrafreddi sospesi nella luce laser, rivelando comportamenti magnetici in competizione in un unico allestimento sperimentale. La ricerca, pubblicata sulla rivista Science, offre un modo per studiare fenomeni fisici che per decenni hanno resistito al calcolo numerico. Questa innovazione di laboratorio consente agli scienziati di regolare indipendentemente le interazioni tra tre distinti stati di particella per testare modelli di superconduttività e di materia nucleare.
Tre stati di particella intrappolati nella luce laser
Il tradizionale modello di Hubbard descrive il comportamento degli elettroni utilizzando due stati di spin, spin-up e spin-down. Sebbene il modello abbia una struttura matematica relativamente semplice, risolverlo resta notoriamente difficile. Un gruppo di ricercatori internazionali ha ampliato questo quadro introducendo una terza componente fermionica, utilizzando atomi di litio-6 ultrafreddi confinati in un reticolo ottico, come riportato da Interesting Engineering. Il reticolo ottico funge da cristallo artificiale creato con la luce laser, un'innovazione rivoluzionaria che offre siti regolarmente distanziati dove le particelle possono tunnelare verso le posizioni vicine.
Regolando un campo magnetico esterno, il team ha modificato indipendentemente l'intensità delle interazioni tra ciascuna coppia di stati. Le collisioni a tre corpi causano di solito una rapida perdita di atomi in simili esperimenti, il che rende difficile un'osservazione prolungata. In questo allestimento, tuttavia, la configurazione è rimasta stabile abbastanza da consentire una misurazione dettagliata delle posizioni e delle interazioni delle particelle.
«Gli esperimenti sono un meraviglioso banco di prova per le idee teoriche.»
— Kaden Hazzard, professore associato alla Rice University
Un microscopio costruito per distinguere i sapori delle particelle
Per registrare il comportamento di ciascuna componente, il team ha sviluppato un microscopio per gas quantistico a risoluzione di sapore. Lo strumento rileva i singoli atomi e distingue i tre stati quantistici sull'intera griglia. Questa capacità ha permesso ai ricercatori di seguire come le particelle occupano i siti del reticolo con diverse intensità di interazione.
Un obiettivo chiave dell'esperimento era rilevare uno stato isolante di Mott, in cui forti forze repulsive bloccano la doppia occupazione dei siti e limitano il movimento delle particelle. «Per noi era particolarmente importante osservare un cosiddetto stato di Mott, in cui le interazioni sopprimono la doppia occupazione dei siti», ha detto Peter Schauss, coautore dello studio e professore di fisica alla University of Virginia. Le misurazioni hanno confermato sia lo stato isolante sia i siti con tripla occupazione, in accordo con i calcoli numerici condotti alla Rice University.
Forze ferromagnetiche e antiferromagnetiche in un'unica griglia
A seconda di come venivano configurati i valori di interazione, alcune coppie di componenti sviluppavano un allineamento ferromagnetico mentre altre mostravano correlazioni antiferromagnetiche. Osservare queste forze contrapposte nello stesso sistema fornisce dati fisici per problemi rilevanti per il calcolo quantistico e la ricerca sui materiali.
«Gli esperimenti sono un meraviglioso banco di prova per le idee teoriche», ha detto Kaden Hazzard, coautore dello studio e professore associato alla Rice University. Hazzard e il suo collaboratore Sohail hanno confrontato i calcoli numerici con i dati sperimentali per verificare come si comporta la piattaforma a tre componenti. Il simulatore fisico funge da invenzione sperimentale per testare questioni che i supercomputer convenzionali non riescono a risolvere da soli.
Simulare i quark e nuove forme di reticolo
I limiti sperimentali restano parte del progetto. Il riscaldamento atomico e le perdite persistenti dovute alle collisioni a tre corpi continuano a ostacolare l'accesso alle temperature più basse necessarie per sondare delicate fasi quantistiche. Ciononostante, l'hardware ha dimostrato una stabilità inattesa durante i test.
Il gruppo di ricerca prevede ora di affinare le interazioni, studiare un possibile stato di Mott accoppiato e testare geometrie come i reticoli triangolari e kagome. Poiché la miscela a tre componenti rispecchia le tre cariche di colore dei quark, la piattaforma potrebbe simulare aspetti della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive le forze all'interno dei nuclei atomici. I futuri esperimenti punteranno anche ai meccanismi alla base della superconduttività ad alta temperatura, offrendo conoscenze fondamentali per futuri depositi di brevetti nella tecnologia quantistica.
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