Su gli atomi! Un sistema quantistico riscaldato può essere usato come sonda universale per gli stati esotici della materia

Dal lavoro di Pitagora sull’armonia all’identificazione della serie di Balmer nella fisica atomica, la quantizzazione delle osservabili fisiche ha un ruolo centrale per la comprensione e la percezione del mondo che ci circonda.

La ricerca sostenuta dall’UE ha previsto una nuova forma di quantizzazione che coinvolge la velocità di riscaldamento di un sistema quantistico in condizioni di oscillazione esterna. Pubblicato sulla rivista “ScienceAdvances”, articolo “Probing topology by ‘heating’: Quantized circular dichroism in ultracold atoms” (Esplorare la topologia con il “riscaldamento”. Dicronismo circolare quantizzato in atomi ultrafreddi), espone quello che gli autori chiamano un’“intrigante manifestazione della topologia”.

Per comunicare il loro lavoro, i ricercatori hanno proposto la seguente analogia: quando si mette un cubetto di ghiaccio nel forno a microonde, le molecole d’acqua vengono eccitate. Questo fa sì che il ghiaccio si sciolga progressivamente e che passi attraverso le fasi da solido a liquido. Durante il processo di riscaldamento il numero di molecole che formano il ghiaccio diminuisce con il passare del tempo. Questo processo si può quantificare con una velocità di riscaldamento. La ricerca descritta in questo articolo indica che, in circostanze specifiche, tale velocità di riscaldamento deve soddisfare un’elegante e precisa legge di quantizzazione.

I ricercatori mostrano che quando un sistema fisico è riscaldato in maniera controllata, sono emesse particelle dalla fase topologica (in analogia diretta con lo scioglimento del ghiaccio descritto sopra) e la corrispondente velocità di riscaldamento soddisfa in modo dimostrabile una nuova legge di quantizzazione. Un aspetto cruciale di questa nuova legge di quantizzazione è che essa è dettata dalla natura topologica della fase iniziale del sistema.

Ampliando la loro natura universale, le proprietà topologiche sono attualmente studiate in un contesto ampio che va dai gas atomici ultrafreddi e la fotonica ai sistemi meccanici. Questi campi complementari e versatili offrono la possibilità di rivelare proprietà topologiche uniche, come quelle provenienti dalla dissipazione artificiale e altre interazioni controllabili. Per esempio, gas ultrafreddi sono stati studiati visualizzando lo spostamento trasversale di una nube atomica in reazione a una forza applicata.

La ricerca condotta dal progetto TOPOCOLD, sotto gli auspici del progetto UQUAM, finanziato dall’UE, è confluita nei risultati presentati nell’articolo, il più importante dei quali è che la velocità di impoverimento delle bande di Bloch piene può soddisfare una legge di quantizzazione imposta dalla topologia.

Il team sostiene che le misurazioni della velocità di impoverimento costituiscono un’indagine potente e universale dell’ordine topologico nella materia quantica dovuto all’effetto quantizzato. I risultati indicano l’esigenza di isolare il grosso della risposta da eventuali effetti dannosi associati alla modalità di punta, che è il punto in cui entrano il gioco le organizzazioni degli atomi ultrafreddi. Gli autori propongono l’uso di una piattaforma fisica che consiste in un gas ultrafreddo di atomi intrappolati in un reticolo ottico (un paesaggio periodico creato dalla luce). Si sa che queste organizzazioni costituiscono un set di strumenti ideale per l’ingegneria quantistica della materia topologica e per implementare nuovi tipi di misurazione.

Il sostegno a TOPOCOLD (Manipulation of topological phases with cold atoms) sta contribuendo a identificare setup di reticoli ottici realistici che contengano nuove fasi ordinate dal punto di vista topologico, sulla base di quelle tecnologie attualmente sviluppate negli esperimenti con atomi freddi. UQUAM (Ultracold Quantum Matter), riunisce ricercatori con competenze riconosciute e complementari nei campi dell’ottica quantica, fisica della materia atomica e condensata e scienze dell’informazione. Il loro obiettivo è portare avanti il campo interdisciplinare delle tecnologie quantistiche, sfruttando i più recenti spettacolari progressi nel controllo dei sistemi atomici e molecolari ultrafreddi.

Per maggiori informazioni, consultare:
Pagina web del progetto TOPOCOLD su CORDIS
Pagina web del progetto UQUAM su CORDIS
Sito web del progetto UQUAM