Una nuova fase della materia, ritenuta comprensibile solo utilizzando la fisica quantistica, può essere studiata con metodi classici molto più semplici.
I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno utilizzato la modellazione computerizzata per studiare potenziali nuove fasi della materia note come cristalli a tempo discreto pretermico (DTC).
Si pensava che le proprietà dei DTC pretermali dipendessero dalla fisica quantistica: le strane leggi che governano le particelle su scala subatomica. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che un approccio più semplice, basato sulla fisica classica, può essere utilizzato per comprendere questi misteriosi fenomeni.
Comprendere nuove fasi della materia
Comprendere queste nuove fasi della materia è un passo avanti verso il controllo di complessi sistemi a molti corpi, un obiettivo di vecchia data con varie potenziali applicazioni, come le simulazioni di reti quantistiche complesse. I risultati sono stati riportati in due articoli congiunti in Physical Review Letters e Physical Review B.
Quando scopriamo qualcosa di nuovo, che sia un pianeta, un animale o una malattia, possiamo saperne di più guardandolo sempre più da vicino. Vengono applicate prima le teorie più semplici e, se non funzionano, si tentano teorie o metodi più complicati.
“Questo era ciò che pensavamo fosse il caso dei DTC pretermici”, ha affermato Andrea Pizzi, Ph.D. candidato al Cavendish Laboratory di Cambridge, primo autore di entrambi gli articoli. “Pensavamo che fossero fondamentalmente fenomeni quantistici, ma si scopre che un approccio classico più semplice ci ha permesso di saperne di più su di loro”.
I DTC sono sistemi fisici altamente complessi e c’è ancora molto da imparare sulle loro proprietà insolite. Come il modo in cui un cristallo spaziale standard rompe la simmetria traslazionale dello spazio perché la sua struttura non è la stessa ovunque nello spazio, i DTC rompono una simmetria traslazionale del tempo distinta perché, quando “agitata” periodicamente, la loro struttura cambia ad ogni “spinta”.
“Puoi paragonarlo a un genitore che spinge un bambino su un’altalena in un parco giochi”, ha detto Pizzi. “Normalmente, il genitore spinge il bambino, il bambino dondola indietro e il genitore poi lo spinge di nuovo. In fisica, questo è un sistema piuttosto semplice. Ma se più altalene fossero nello stesso parco giochi, e se i bambini su di esse stessero tenendo le mani l’uno con l’altro, allora il sistema diventerebbe molto più complesso e potrebbero emergere comportamenti molto più interessanti e meno ovvi”.
Predetti per la prima volta nel 2012, i DTC hanno aperto un nuovo campo di ricerca e sono stati studiati in vari tipi, anche negli esperimenti. Tra questi, i DTC pretermici sono sistemi relativamente semplici da realizzare che non si riscaldano rapidamente come normalmente ci si aspetterebbe, ma mostrano invece un comportamento tempo-cristallino per un tempo molto lungo: più velocemente vengono agitati, più a lungo sopravvivono. Tuttavia, si pensava che si basassero su fenomeni quantistici.
“Sviluppare teorie quantistiche è complicato e, anche quando lo gestisci, le tue capacità di simulazione sono generalmente molto limitate, perché la potenza di calcolo richiesta è incredibilmente grande”, ha affermato Pizzi.
Ora, Pizzi e i suoi coautori hanno scoperto che per i DTC pretermici possono evitare di utilizzare approcci quantistici eccessivamente complicati e utilizzare invece quelli classici molto più convenienti. In questo modo, i ricercatori possono simulare questi fenomeni in modo molto più completo. Ad esempio, ora possono simulare molti più componenti elementari, ottenendo l’accesso agli scenari più rilevanti per gli esperimenti, come in due e tre dimensioni.
Utilizzando una simulazione al computer, i ricercatori hanno studiato molti spin interagenti, come i bambini sulle altalene, sotto l’azione di un campo magnetico periodico, come il genitore che spinge l’altalena, utilizzando la classica dinamica hamiltoniana. La dinamica risultante ha mostrato in modo netto e chiaro le proprietà dei DTC pretermici: per lungo tempo, la magnetizzazione del sistema oscilla con un periodo maggiore di quello dell’azionamento.
“È sorprendente vedere quanto sia pulito questo metodo”, ha detto Pizzi. “Poiché ci consente di guardare sistemi più grandi, rende molto chiaro cosa stia succedendo. A differenza di quando utilizziamo metodi quantistici, non dobbiamo combattere con questo sistema per studiarlo. Speriamo che questa ricerca stabilisca la classica dinamica hamiltoniana come un approccio adeguato alle simulazioni su larga scala di complessi sistemi a molti corpi e apra nuove strade nello studio dei fenomeni di non equilibrio, di cui i DTC pretermici sono solo un esempio.”
Pizzi e i coautori dei due articoli, entrambi di recente base a Cambridge, sono il Dr. Andreas Nunnenkamp, ora all’Università di Vienna, e il Dr. Johannes Knolle, ora all’Università Tecnica di Monaco.
Nel frattempo, all’Università di Berkeley, il gruppo di Norman Yao ha utilizzato anche metodi classici per studiare i DTC pretermali. Sorprendentemente, i team di Berkeley e Cambridge hanno affrontato contemporaneamente la stessa domanda. Il gruppo di Yao pubblicherà i risultati a breve.
