Un esperimento condotto all’Università di Innsbruck ha dimostrato che un sistema quantistico fortemente interagente può smettere di assorbire energia nonostante una continua sollecitazione.
Il fenomeno osservato, chiamato many-body dynamical localization (MBDL), smentisce le aspettative classiche e conferma il ruolo cruciale della coerenza quantistica nel prevenire la termalizzazione. I risultati aprono nuove prospettive per il controllo della stabilità nei sistemi quantistici spinti fuori equilibrio.
Nella fisica classica, l’applicazione ripetuta di una forza porta inevitabilmente a un aumento dell’energia interna di un sistema. Dall’attrito delle mani al riscaldamento di un metallo colpito ripetutamente, la termalizzazione è un effetto noto e verificabile. Anche su scala microscopica, l’intuizione consolidata prevede che l’eccitazione continua di un sistema – attraverso agitazioni meccaniche, impulsi o perturbazioni – produca un progressivo accumulo di energia, e quindi un aumento della temperatura.
Questa aspettativa si estende anche ai sistemi quantistici complessi, composti da molte particelle in interazione. La teoria suggerisce che in presenza di una forzatura esterna costante, tali sistemi assorbano energia in modo diffuso e irreversibile. Ma un esperimento recente condotto in Austria ha messo in discussione questa assunzione fondamentale.
Un team guidato da Hanns Christoph Nägerl presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck ha realizzato un sistema quantistico unidimensionale composto da atomi fortemente interagenti, raffreddati fino a pochi nanokelvin sopra lo zero assoluto. Il sistema è stato soggetto a un potenziale reticolare modulato da impulsi laser ciclici, che ne costituivano una sollecitazione periodica controllata.
Questa configurazione ha generato una sequenza regolare di “calci” quantistici, ossia perturbazioni esterne che, secondo le previsioni, avrebbero dovuto provocare una crescita dell’energia cinetica e una diffusione disordinata del momento degli atomi coinvolti.
Contrariamente alle attese, l’esperimento ha mostrato che, dopo una fase iniziale di risposta, l’espansione della distribuzione di momento si è arrestata. L’energia cinetica del sistema ha smesso di aumentare, stabilizzandosi su un valore costante. Pur in presenza di continue sollecitazioni e forti interazioni tra le particelle, il sistema non ha più assorbito energia.
Questo comportamento controintuitivo rappresenta un caso chiaro di many-body dynamical localization (MBDL), ovvero localizzazione dinamica in uno spazio di momento in un sistema a molti corpi. In questo stato, la dinamica viene “congelata” e la distribuzione del momento non evolve più nel tempo.
Il fenomeno della MBDL è reso possibile dalla coerenza quantistica e dall’entanglement tra le particelle. In presenza di queste proprietà, il sistema mantiene correlazioni a lungo raggio tra le sue componenti, che inibiscono la diffusione dell’energia e ne impediscono la termalizzazione.
Hanns Christoph Nägerl spiega che “in questo stato, la coerenza quantistica e l’entanglement a molti corpi impediscono al sistema di mostrare un comportamento diffuso, anche sotto continua sollecitazione”. Il risultato è una distribuzione di momento che si blocca, mantenendo la struttura acquisita.
Per testare la robustezza dello stato MBDL, i ricercatori hanno introdotto una componente casuale nella sequenza dei calci laser. L’aggiunta anche minima di disordine ha avuto un effetto immediato: la localizzazione si è dissolta. La distribuzione del momento ha ripreso a espandersi, l’energia cinetica è aumentata e il sistema è tornato a comportarsi come previsto dalla teoria classica.
Questo esperimento ha confermato che la coerenza quantistica è il fattore chiave che impedisce la termalizzazione. Una volta distrutta la coerenza, il sistema torna a seguire la dinamica convenzionale.
La capacità di un sistema quantistico di resistere all’assorbimento di energia in condizioni di guida esterna apre prospettive rilevanti per diverse tecnologie emergenti. In particolare, le piattaforme di simulazione quantistica e i computer quantistici affrontano sfide legate alla decoerenza e al riscaldamento incontrollato dei qubit.
Le architetture quantistiche richiedono ambienti stabili, nei quali gli stati quantistici possano essere mantenuti per tempi sufficientemente lunghi da permettere calcoli o simulazioni. Il fenomeno della MBDL suggerisce che sia possibile creare condizioni in cui, nonostante la presenza di interazioni forti e perturbazioni esterne, il sistema resti in uno stato coerente e ordinato.
Una delle implicazioni più rilevanti della ricerca è la possibilità di stabilizzare sistemi quantistici lontani dall’equilibrio. L’esperimento fornisce un modello sperimentale preciso e controllabile per esplorare come l’ordine e la coerenza emergano in condizioni dinamiche, senza la necessità di condizioni statiche o equilibrate.
Come ha dichiarato Yanliang Guo, primo autore dello studio, “questo esperimento offre uno strumento altamente preciso e modulabile per investigare come i sistemi quantistici possano opporsi al disordine e mantenere la coerenza anche sotto stimoli intensi”.
La scoperta ha rilevanza anche per la comprensione teorica dei sistemi complessi. Secondo Lei Ying, teorico dell’Università di Zhejing in Cina, la riproduzione di un comportamento simile tramite simulazioni classiche è estremamente difficile. Questo evidenzia la necessità degli esperimenti per validare previsioni teoriche in regimi non accessibili tramite modelli computazionali tradizionali.
L’interazione tra simulazione e verifica sperimentale risulta fondamentale per l’avanzamento della fisica quantistica dei molti corpi. Le osservazioni dell’esperimento a Innsbruck rafforzano il legame tra teoria e pratica, fornendo un banco di prova concreto per le ipotesi legate alla localizzazione dinamica.
Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Science e ha ricevuto finanziamenti da numerose istituzioni, tra cui:
Fondo Austriaco per la Scienza (FWF);
Agenzia Austriaca per la Promozione della Ricerca (FFG);
Unione Europea attraverso programmi di sostegno alla ricerca quantistica.
La combinazione di rigore sperimentale, validazione teorica e applicabilità potenziale rende questo studio un riferimento per la comprensione dei meccanismi che regolano la stabilità nei sistemi quantistici spinti.
La dimostrazione che un sistema quantistico può fermare completamente l’assorbimento di energia sotto condizioni specifiche introduce un nuovo paradigma nel controllo quantistico. A differenza delle tradizionali strategie basate su isolamento e raffreddamento passivo, la MBDL mostra che è possibile ottenere ordine e stabilità attraverso una guida esterna ben calibrata, purché si preservi la coerenza interna.
Il risultato alimenta lo sviluppo di metodologie per il contenimento del riscaldamento in dispositivi quantistici complessi, contribuendo allo sviluppo di componenti robusti per tecnologie basate sull’informazione quantistica e sulla simulazione di sistemi non-equilibrati.
Consolidare queste osservazioni, estendendole a configurazioni tridimensionali, a geometrie complesse e a diversi tipi di interazioni, rappresenta uno dei prossimi obiettivi per la ricerca in fisica quantistica sperimentale.
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