Realizzazione di transizioni di fase quantistiche discontinue

Le transizioni di fase sono ovunque, dall’ebollizione dell’acqua allo scioglimento dei fiocchi di neve e dalle transizioni magnetiche nei solidi alle transizioni di fase cosmologiche nell’universo primordiale.

Le transizioni di fase quantistiche che si verificano a temperature vicine allo zero assoluto

Particolarmente interessanti sono le transizioni di fase quantistiche che si verificano a temperature vicine allo zero assoluto e sono guidate da fluttuazioni quantistiche piuttosto che termiche.

I ricercatori dell’Università di Cambridge hanno studiato le proprietà delle fasi quantistiche e le loro transizioni utilizzando atomi ultrafreddi in un reticolo ottico (formato da un insieme di laser a onde stazionarie). Tipicamente, la transizione da un isolante di Mott (MI) a un superfluido (SF), che è governato dall’interazione delle interazioni atomo-atomo e dal salto degli atomi, è una transizione continua, in cui il sistema subisce un attraversamento di cambiamento continuo regolando il punto di transizione di fase.

Tuttavia, molte transizioni di fase sono discontinue, come il congelamento dell’acqua in ghiaccio, o la transizione che si pensa abbia innescato il periodo di inflazione nell’universo primordiale. Queste sono chiamate “transizioni del primo ordine” e ad esempio consentono a entrambe le fasi di coesistere – proprio come i cubetti di ghiaccio in un bicchiere d’acqua – e possono portare a isteresi e metastabilità, in cui un sistema rimane bloccato nella sua fase originale (il falso vuoto), anche se lo stato fondamentale è cambiato.

Agitando in modo risonante la posizione del potenziale del reticolo, i ricercatori potrebbero accoppiare o “mescolare” le prime due bande del reticolo. Per i parametri corretti, questo può eccitare gli atomi dalla banda più bassa nella prima banda eccitata, dove formerebbero un nuovo superfluido in cui gli atomi appaiono sul bordo della banda (vedi figura).

Fondamentalmente, la transizione dall’isolante di Mott originale nella banda più bassa al risultante superfluido sfalsato nella banda eccitata, può essere del primo ordine (discontinuo), perché l’ordine non sfalsato nell’isolante di Mott è incompatibile con l’ordine sfalsato di questo superfluido – quindi il sistema deve sceglierne uno.

I ricercatori potrebbero osservare direttamente la metastabilità e l’isteresi associate a questa transizione del primo ordine monitorando la velocità con cui una fase si trasforma in un’altra o meno. 

“Abbiamo realizzato una piattaforma molto flessibile in cui le transizioni di fase potevano essere regolate da continue a discontinue modificando la forza di scuotimento. Questa dimostrazione apre nuove opportunità per esplorare il ruolo delle fluttuazioni quantistiche nelle transizioni di fase del primo ordine, ad esempio il falso decadimento del vuoto nell’universo primordiale”, ha affermato il primo autore, il dottor Bo Song del Cavendish Laboratory di Cambridge.

“È davvero affascinante che siamo sulla strada per svelare il mistero del caldo e denso universo primordiale usando un insieme atomico così freddo e minuscolo”.

“Siamo entusiasti di migliorare la portata dei simulatori quantistici dalle impostazioni della materia condensata alle potenziali simulazioni dell’universo primordiale. Anche se chiaramente c’è ancora molta strada da fare, questo lavoro è un primo passo importante”, ha aggiunto il professor Ulrich Schneider, che ha guidato la ricerca presso il Cavendish Laboratory.

“Questo lavoro fornisce anche un banco di prova per esplorare la formazione spontanea di strutture spaziali quando il sistema quantistico fortemente interagente subisce una transizione discontinua”.

“La fisica sottostante coinvolge idee che hanno una lunga storia al Cavendish, da Nevill Mott (sulle correlazioni) a Pyotr Kapitsa (sulla superfluidità), e persino l’uso dello scuotimento per effettuare il controllo dinamico in un modo spiegato da Kapitsa ma utilizzato in modo come non avrebbe mai immaginato”, ha spiegato il professor Nigel Cooper, anche lui del Cavendish.

La ricerca è finanziata in parte dall’European Research Council (ERC), dal UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e dalla Simons Foundation.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Physics.