Fisica
I ricercatori hanno osservato una catena di atomi in un simulatore quantistico passare da uno stato magnetico a uno stato completamente non magnetico, la prima volta che un tale cambiamento è stato mai visto in una dimensione spaziale.
Una trappola ionica può controllare gli atomi per esperimenti quantistici. Dopo decenni di ricerche, i ricercatori hanno visto una stringa di atomi attraversare un cambiamento di fase in 1D così elusivo che potrebbe avvenire solo all’interno di un simulatore quantistico.
“Una motivazione [per il nostro esperimento] è davvero cercare di comprendere la fisica fondamentale. Stiamo cercando di capire solo gli stati di base in cui la materia può trovarsi,” dice Alexander Schuckert dell’Università del Maryland.
Lui e i suoi colleghi hanno usato campi elettromagnetici per disporre 23 ioni dell’elemento itterbio in una linea, formando una catena quasi unidimensionale. Questo dispositivo può essere utilizzato per il calcolo quantistico, ma in questo caso, i ricercatori hanno usato la catena come simulatore.
All’interno del simulatore, hanno costruito un magnete di itterbio 1D un atomo alla volta. Calcoli precedenti avevano previsto che questo tipo di magnete si sarebbe smagnetizzato quando riscaldato, grazie agli effetti quantistici. Ma nessun esperimento passato aveva raggiunto questa “transizione di fase”.
Una delle ragioni della difficoltà è che sistemi come i computer quantistici e i simulatori tipicamente funzionano bene solo quando sono molto freddi. Riscaldarli per far avvenire la transizione di fase può quindi causare malfunzionamenti, dice Schuckert.
Per evitare questo, lui e i suoi colleghi hanno regolato lo stato quantistico iniziale degli atomi in modo che, col passare del tempo, lo stato collettivo del magnete 1D cambiasse come se la sua temperatura fosse aumentata. Questo ha rivelato la transizione di fase mai vista prima.
Il risultato è molto esotico perché le catene di atomi generalmente non dovrebbero subire transizioni di fase, dice Mohammad Maghrebi della Michigan State University. I ricercatori sono riusciti a ingegnerizzarlo solo perché potevano far interagire ogni ione con ioni che erano lontani da esso, anche se non si toccavano. Questo ha spinto l’intera linea in un comportamento collettivo insolito.
Poiché il loro simulatore rende possibili tali stati esotici della materia, potrebbe essere utilizzato per studiare sistemi teorici che potrebbero essere molto rari – o addirittura non esistere – in natura, dice Maghrebi.
Schuckert suggerisce che i simulatori quantistici potrebbero anche aiutare a spiegare comportamenti elettrici o magnetici strani che alcuni materiali mostrano nel mondo reale. Ma per farlo, questi dispositivi devono essere in grado di raggiungere temperature più alte di quelle attuali. Attualmente possono modellare solo temperature estremamente fredde, ma dice che simulazioni a temperature più alte potrebbero essere possibili entro cinque anni.
E ancora più sistemi esistenti e teorici potrebbero essere studiati se i simulatori dei team potessero essere ingranditi, ad esempio disponendo gli ioni in array bidimensionali, dice Andrea Trombettoni dell’Università di Trieste in Italia. “Questo suggerirà nuove fisiche da esplorare,” dice.