Particelle quantistiche in gioco: nuovi allettanti indizi sulla loro risposta collettiva alle forze deboli
Il movimento collettivo è onnipresente in natura a tutti i livelli: dallo stormo di storni al branco di pesci, fino allo sciame di batteri. Questi gruppi di animali sembrano un’unica entità governata da una mente collettiva. Applicando questa analogia al regno della fisica, l’interazione tra il mondo microscopico e quello macroscopico è intensamente approfondita nella meccanica statistica: semplici interazioni tra i componenti microscopici possono spiegare le proprietà misurabili dei sistemi macroscopici. Una volta su scala nanometrica, il bizzarro mondo della meccanica quantistica esercita un grande controllo. Prendiamo ad esempio il frazionamento: le eccitazioni collettive di un sistema non possono essere costruite come combinazioni dei suoi costituenti fondamentali. Sebbene siano state sviluppate diverse tecniche per comprendere fenomeni simili nei sistemi di equilibrio, il loro studio è molto più difficile per le configurazioni fuori equilibrio. Il progetto ThermOutOfEq, finanziato dall’UE, ha concepito configurazioni ingegneristiche per aumentare la comprensione teorica dei fenomeni collettivi su nanoscala sviluppando inoltre approcci teorici per studiare come si comportano i sistemi caotici.
La freccia del tempo punta in avanti
I ricercatori hanno descritto risultati che dimostrano la natura reversibile e irreversibile della dinamica quantistica sottoposta a impulsi deboli. L’uso di stati del prodotto a matrice ha favorito l’analisi del modello quantistico (della catena di spin di Heisenberg). Questo famoso modello descrive le interazioni degli spin magnetici in una matrice 1D e le sue proprietà possono essere calcolate esattamente in equilibrio. Sebbene i componenti microscopici siano spin individuali, le eccitazioni collettive corrispondono alle onde di spin. Queste ultime si comportano essenzialmente come particelle: quando due onde di spin che viaggiano in direzioni opposte si incontrano, possono unirsi in uno «stato di legame», una «particella» più grande. Anche coppie di stati legati possono interagire, generando uno spettro complesso di «particelle» di diverse dimensioni. «Per comprendere meglio la dinamica delle onde di spin e dei loro stati di legame fuori equilibrio, abbiamo proposto una configurazione in cui un campo magnetico accelera le particelle. Abbiamo osservato che alcuni stati legati non sono stabili quando si muovono troppo velocemente. Esiste una velocità critica alla quale si rompono in particelle più piccole», spiega Andrea De Luca, il coordinatore del progetto. Inoltre, i ricercatori hanno notato che esiste un solo modo per formare uno stato di legame una volta che due o più onde di spin si fondono: ad esempio, l’energia dello stato di legame è completamente fissa perché viene conservata. Al contrario, una volta interrotto uno stato di legame, vi sono molti modi per distribuire la sua energia tra le particelle in uscita. «Questo tipo di “mancanza di informazioni” è all’origine della generazione di entropia e irreversibilità. Abbiamo notato che prima che le onde di spin raggiungano una velocità critica, il sistema è completamente reversibile: una volta invertito il campo magnetico, le onde di spin tornano al loro stato iniziale. Quando superano la velocità critica, non c’è memoria degli stati di legame rotto», aggiunge De Luca.
Matrici casuali e caos quantistico
Comprendere come il caos si manifesta nella natura liscia e ondulata dei fenomeni su scala quantistica è difficile. «Nel mondo classico, una piccola perturbazione al movimento della particella (palla) nel biliardo potrebbe causare un grande cambiamento sulla sua traiettoria. Tuttavia, nel regno quantistico è impossibile definire traiettorie per sistemi quantistici. L’unica cosa che sappiamo è che i sistemi quantistici caotici si comportano statisticamente come matrici casuali», spiega De Luca. Utilizzando un circuito casuale Floquet, i ricercatori hanno confermato questa congettura di vecchia data fornendo un esempio esattamente risolvibile di un sistema che è quantistico e caotico ed è composto da numerosi gradi di libertà e dimostrando come il caos e il comportamento della matrice casuale siano raggruppati.
Parole chiave
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