Osservato un nuovo stato fisico della materia che non termalizza

Uno studio condotto da un gruppo di ricerca tedesco affiancato da un gruppo di ricercatori israeliani, utilizzando atomi ultra freddi di potassio imprigionati in “cristalli di luce”, ha permesso per la prima volta l’osservazione di un nuovo stato quantistico della materia che non termalizza, vale a dire che non raggiungere l’equilibrio termico per molto tempo.

Nella norma, una qualsiasi sostanza liquida a contatto con del ghiaccio si raffredda, o per essere più pignoli, la sua temperatura scende di alcuni gradi; basta pensare per esempio ad una bevanda con dei cubetti di ghiaccio. Questo processo è chiamato termalizzazione, il raggiungimento da parte di un sistema di un nuovo equilibrio termico – dopo che l’equilibrio iniziale è stato alterato – grazie all’interazione reciproca dei corpi fisici che costituiscono il sistema in questione. Avviene per quasi tutti i sistemi interagenti che ci sono in natura, anche nei casi in cui agiscono effetti quantistici iniziali. L’azione degli effetti quantistici però viene “diluita” su tutto il sistema in questione e la sua influenza non più osservabile dopo breve tempo.

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Un team di ricercatori appartenenti alla Ludwig-Maximilians University (LMU) di Monaco di Baviera e all’Istituto Max Planck di ottica quantistica (MPQ) di Garching, in Germania, in collaborazione con l’istituto di ricerca israeliano Weizmann, hanno creato e analizzato per la prima volta uno stato della materia detto “localizzato a molti corpi” (Many-Body Localized), in cui, nonostante la presenza delle interazioni spiegate prima, non avviene termalizzazione. In sostanza, il sistema memorizza il suo stato quantistico iniziale, anche per tempi più lunghi. I ricercatori hanno condotto l’osservazione sperimentale di stati localizzati a molti corpi per atomi di potassio ultra freddi trattenuti in un cristallo artificiale di luce, un reticolo ottico che viene creato sovrapponendo e facendo interferire fra loro diversi fasci laser. Il reticolo ottico rappresenta una griglia microscopica di piccoli punti luce in cui gli atomi possono essere intrappolati, dotandoli di un potenziale rigido e casuale lungo una direzione di movimento. Sia l’intensità del disordine che l’interazione tra gli atomi possono essere controllate con precisione nell’esperimento. Nello schema è illustrata una fluttuazione di densità iniziale è applicata agli atomi ultra freddi trattenuti in un reticolo ottico (1). Senza disordine, il sistema tende a un stato di equilibrio termico (2). In presenza di sufficiente disordine, il sistema permane per lungo tempo in uno stato non termalizzante in cui conserva memoria dello stato iniziale (3).

L’esperimento prevede che al sistema così preparato venga applicata una fluttuazione di densità iniziale, osservandone poi l’evoluzione. Se la dinamica è termalizzante, allora la modulazione di densità viene rapidamente persa, dal momento che il punto di equilibrio termico non porta memoria dello stato iniziale in cui si trovava il sistema. In caso contrario, una persistente modulazione della densità indica localizzazione, proprio quello che i ricercatori hanno osservato. «Siamo rimasti sorpresi nel constatare il tempo di vita di questo nuovo stato della materia», ha dichiarato Michael Schreiber, il dottorando alla Ludwig-Maximilians University che ha condotto la ricerca. «Anche se la natura di questo stato è eminentemente quantistica, si è rivelato molto più stabile di qualsiasi altro tipico stato a molti corpi che abbiamo esaminato in passato». La ricerca su questo nuovo stato fisico della materia che non termalizza è stata pubblicato sul numero online della rivista Science Express.

Illustrazione schematica dell’esperimento. Una fluttuazione di densità iniziale è applicata agli atomi ultra freddi trattenuti in un reticolo ottico (1). Senza disordine, il sistema tende a un stato di equilibrio termico (2). In presenza di sufficiente disordine, il sistema permane per lungo tempo in uno stato non termalizzante in cui conserva memoria dello stato iniziale (3). Crediti: M. Schreiber, LMU