Simulare il comportamento delle particelle quantistiche

Nella vita di tutti i giorni, la materia si comporta in modo prevedibile e previsto. Se lanci una palla, supponi che viaggerà in una certa direzione prevedibile. Inoltre, le forze esercitate su un oggetto non avrebbero alcun impatto su un altro e indipendente oggetto.

Ma nella meccanica quantistica – la fisica del minuscolo – le regole sono completamente diverse. In uno, due e tre sistemi di particelle, le azioni che avvengono in un punto possono influenzare fortemente gli atomi lontani. Gli scienziati non hanno ancora una piena comprensione di questo ma, analizzando il comportamento di questi sistemi e di quelli più complessi, sperano di trovare possibili spiegazioni.

I ricercatori della Quantum Systems Unit presso l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), insieme ai collaboratori dell’University College di Dublino e della Durham University, hanno simulato uno di questi sistemi, rivelando stati quantistici – i modi in cui le particelle si organizzano in sistemi isolati – inaspettati. I loro risultati, pubblicati sul New Journal of Physics, potrebbero avere applicazioni per le tecnologie quantistiche.

Se lanci una pietra da una barca, la pietra va da una parte e la barca va dall’altra“, ha spiegato il professor Thomas Busch, che guida l’Unit. “Nella meccanica quantistica, possiamo avere correlazioni molto più forti a distanze molto maggiori. È come se indossassi una calza rossa e una verde, quindi qualcuno in Antartide, che non hai mai incontrato, dovrebbe fare lo stesso. E il nostro lavoro ha trovato nuovi stati con queste correlazioni molto forti, che possono essere controllate molto bene”.

Sperimentando con due atomi

Quando gli scienziati ricercano sistemi macroscopici, tendono a guardare molte particelle – diciamo 1023. Siccome ce ne sono così tanti, non possono seguire ogni atomo e devono fare ipotesi. Per evitare ciò, i ricercatori di questo studio hanno usato un’altra opzione.

Abbiamo simulato un sistema con solo due atomi“, ha detto il primo autore Ayaka Usui, dottorando presso l’Unit. “Ciò ha fornito un elemento fondamentale del sistema più grande, ma abbiamo potuto controllare tutto e vedere esattamente cosa stava succedendo. E, per controllare ulteriormente questo sistema, abbiamo considerato atomi super-freddi“.

A temperatura ambiente, le particelle si muovono molto rapidamente. Più è caldo, più velocemente si muovono. Usando il raffreddamento laser, questi atomi possono essere rallentati e raffreddati fino a raggiungere una velocità quasi nulla e quindi super-freddi. Ciò ha reso molto più facile per Ayaka e colleghi descriverli nelle loro simulazioni.

In un sistema come questo, la cosa più semplice che le particelle possono fare è scontrarsi. Questo li costringe a muoversi e cambiare direzione, ma anche le particelle hanno qualcosa chiamato spin (rotazione). Lo spin di una particella è rivolto verso l’alto o verso il basso e influenza ulteriormente il modo in cui si muove, un effetto chiamato accoppiamento spin-orbit. Quando i ricercatori hanno simulato un sistema con due atomi super-freddi accoppiati a spin-orbit, sono stati rivelati questi nuovi stati, con le loro correlazioni molto forti.

Lo spin di una particella influenza la direzione in cui si muoverà. Se le due particelle si muovono in determinate direzioni, si scontreranno tra loro e influenzeranno ulteriormente la direzione in cui si muovono, come mostrato in alto a sinistra.
Il professor Thomas Busch, Ayaka Usui e il dottor Thomás Fogarty esaminano le loro simulazioni al computer.

Abbiamo i sistemi a due particelle in cui si ottengono questi stati e quelli con 1023 in cui non si ottiene“, ha affermato il dottor Thomás Fogarty, studioso post-dottorato presso l’Unit. “Da qualche parte lungo questa lunga catena di aggiunta di particelle, questi nuovi stati scompaiono“.

Ulteriori approfondimenti: nuove formule

Oltre ai nuovi stati, abbiamo scoperto le formule che descrivono esattamente questo sistema“, ha detto Ayaka. “Quindi ora possiamo progettarlo“.

Trovando queste formule, i ricercatori hanno il controllo del sistema e ora hanno in programma di modificare i parametri per esaminare le dinamiche del sistema. “Stiamo per dividere il sistema, quindi ne abbiamo due“, ha detto Ayaka. “Possiamo usare le forti correlazioni per aiutarci a misurare il sistema. Se troviamo un atomo in uno dei sistemi, sappiamo che anche l’altro è in quello, senza misurarlo, perché sono strettamente correlati“.

Sebbene questa ricerca si concentri solo su un piccolo aspetto di ciò che la meccanica quantistica può fare, ha numerose applicazioni, ha affermato il professor Busch. “Le tecnologie quantistiche hanno bisogno di queste correlazioni“, ha spiegato. “Questi nuovi stati hanno le più forti correlazioni non classiche che conosciamo e che possiamo progettare. Con questa ricerca, potremmo costruire computer più potenti. Potremmo creare dispositivi di misurazione che rilevano minuscole differenze di gravità o impulsi elettrici nel cervello. Ci sono così tante applicazioni su cui lavorare”.

Insieme a Ayaka Usui, il dott. Fogarty e il professor Busch, questa ricerca ha coinvolto il dott. Steve Campbell dell’Università di Dublino e il professor Simon Gardiner dell’Università di Durham.

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