Un fenomeno fisico esotico, che coinvolge onde ottiche, campi magnetici sintetici e inversione del tempo, è stato osservato direttamente per la prima volta, dopo decenni di tentativi. La nuova scoperta potrebbe portare alla realizzazione di quelle che sono note come fasi topologiche e, infine, ad importanti progressi verso i computer quantistici a tolleranza d’errore, affermano i ricercatori.
La nuova scoperta coinvolge l’effetto Aharonov-Bohm non abeliano ed è stata pubblicata sulla rivista Science.
La scoperta si riferisce ai campi di gauge, che descrivono le trasformazioni subite dalle particelle. I campi di misurazione rientrano in due classi, note come abeliane e non abeliane.
L’effetto Aharonov-Bohm, dal nome dei teorici che lo avevano predetto nel 1959, conferma che i campi di misura – oltre ad essere un puro aiuto matematico – hanno conseguenze fisiche.
Ma le osservazioni funzionavano solo nei sistemi abeliani, o in quelli in cui i campi di gauge sono commutativi – cioè, hanno luogo allo stesso modo sia in avanti che indietro nel tempo. Nel 1975, Tai-Tsun Wu e Chen-Ning Yang generalizzarono l’effetto sul regime non abeliano come esperimento mentale. Ciononostante, non è chiaro se sarebbe persino possibile osservare l’effetto in un sistema non abeliano. I fisici mancavano di modi per creare l’effetto in laboratorio e mancavano anche modi per rilevare l’effetto anche nel caso di poter riuscire a produrlo. Ora, entrambi questi enigmi sono stati risolti e le osservazioni effettuate con successo.
L’effetto ha a che fare con uno degli aspetti strani e controintuitivi della fisica moderna, il fatto che praticamente tutti i fenomeni fisici fondamentali sono invarianti nel tempo. Ciò significa che i dettagli del modo in cui le particelle e le forze interagiscono possono andare avanti o indietro nel tempo, e un filmato su come si svolgono gli eventi può essere eseguito in entrambe le direzioni, quindi non c’è modo di dire quale sia la versione reale. Ma alcuni fenomeni esotici violano, questa volta, la simmetria.
La creazione della versione abeliana degli effetti Aharonov-Bohm richiede la rottura della simmetria di inversione temporale, un compito impegnativo in sé, afferma Soljačić. Ma per ottenere la versione non abeliana dell’effetto è necessario rompere questa inversione del tempo più volte e in diversi modi, rendendola una sfida ancora più grande.
Per produrre l’effetto, i ricercatori usano la polarizzazione dei fotoni. Quindi, hanno prodotto due diversi tipi di interruzione del tempo. Hanno usato la fibra ottica per produrre due tipi di campi di gauge che hanno influenzato le fasi geometriche delle onde ottiche, prima inviandoli attraverso un cristallo polarizzato da potenti campi magnetici, e in secondo luogo modulandoli con segnali elettrici variabili nel tempo, in entrambi i casi rompendo la simmetria di inversione temporale.
Sono stati quindi in grado di produrre schemi di interferenza che rivelavano le differenze nel modo in cui la luce veniva influenzata quando veniva inviata attraverso il sistema a fibre ottiche in direzioni opposte, in senso orario o antiorario. Senza rompere l’invarianza di inversione temporale, i raggi avrebbero dovuto essere identici, ma invece i loro schemi di interferenza hanno rivelato serie di specifiche differenze come previsto,
La versione originale e abeliana dell’effetto Aharonov-Bohm “era stata osservata con una serie di test sperimentali, ma l’effetto non abeliano non era stato osservato fino ad ora”, afferma Yang. La scoperta “ci consente di fare molte cose“, spiega, “aprendo la porta a una vasta gamma di potenziali esperimenti, compresi i regimi fisici classici e quantistici, per esplorare le variazioni dell’effetto“.
L’approccio sperimentale ideato da questo team “potrebbe ispirare la realizzazione di fasi topologiche esotiche in simulazioni quantistiche usando fotoni, polaritoni, gas quantici e qubit superconduttori“, afferma Soljačić. Per la fotonica stessa, dice, questo potrebbe essere utile in una varietà di applicazioni optoelettroniche.
Inoltre, i campi di gauge non abeliani che il gruppo è stato in grado di sintetizzare hanno prodotto una fase di bacche non abeliane e “combinati con le interazioni, potrebbero un giorno servire da piattaforma per il calcolo quantologico topologico tollerante ai guasti“, afferma.
A questo punto, l’esperimento è principalmente di interesse per la ricerca fisica fondamentale, con l’obiettivo di ottenere una migliore comprensione di alcune basi della moderna teoria fisica. Le molte possibili applicazioni pratiche “richiederanno ulteriori progressi in futuro“, afferma Soljačić.
Per prima cosa, per il calcolo quantistico, l’esperimento dovrebbe essere scalato da un singolo dispositivo ad un intero reticolo di essi. E invece dei raggi di luce laser utilizzati nel loro esperimento, sarebbe opportuno lavorare con una fonte di fotoni singoli. Ma anche nella sua forma attuale, il sistema potrebbe essere utilizzato per esplorare le questioni della fisica topologica, che è un’area molto attiva della ricerca attuale, afferma Soljačić.
“La fase non abeliana delle bacche è una gemma teorica che è la porta per comprendere molte idee intriganti nella fisica contemporanea“, afferma Ashvin Vishwanath, professore di fisica all’Università di Harvard, che non era associato a questo lavoro. “Sono contento di vederlo ottenere l’attenzione sperimentale che merita nel lavoro attuale, che riporta una realizzazione ben controllata e caratterizzata. Mi aspetto che questo lavoro stimoli il progresso sia direttamente come elemento fondamentale per architetture più complesse, sia indirettamente nell’ispirare altre realizzazioni“.
Riferimento: “Sintesi e osservazione di campi di scartamento non abeliani nello spazio reale” di Yi Yang, Chao Peng, Di Zhu, Hrvoje Buljan, John D. Joannopoulos, Bo Zhen e Marin Soljačić, Science.
DOI: 10.1126 / science.aay3183
