Una forma sfuggente di materia chiamata liquido con spin quantistico non è un liquido e non ruota, ma è sicuramente quantistico. Predetto quasi 50 anni fa, i liquidi con spin quantistico hanno a lungo eluso il rilevamento definitivo in laboratorio. Ma ora, un reticolo di atomi ultrafreddi tenuti in posizione con i laser ha mostrato i segni distintivi della forma di materia a lungo cercata, riportano i ricercatori su Science del 3 dicembre.
L’entanglement quantistico va in overdrive nel nuovo materiale. Anche gli atomi sui lati opposti del reticolo condividono l’entanglement, o collegamenti quantistici, il che significa che le proprietà degli atomi distanti sono correlate tra loro.
“È molto, molto intricato”, afferma la fisica Giulia Semeghini dell’Università di Harvard, coautrice del nuovo studio. “Se scegli due punti qualsiasi del tuo sistema, sono collegati tra loro attraverso questo enorme intreccio”. Questo forte entanglement a lungo raggio potrebbe rivelarsi utile per la costruzione di computer quantistici, affermano i ricercatori.
Il nuovo materiale corrisponde alle previsioni per un liquido con spin quantistico, sebbene la sua composizione si allontani un po’ dalle aspettative convenzionali. Mentre l’idea tradizionale di un liquido con spin quantistico si basa sulla proprietà quantistica dello spin, che fornisce agli atomi campi magnetici, il nuovo materiale si basa su diverse stranezze atomiche. Un liquido di spin quantistico standard dovrebbe sorgere tra gli atomi i cui spin sono in conflitto.
Spin quantistico
Lo spin fa sì che gli atomi agiscano come minuscoli magneti. Normalmente, a basse temperature, quegli atomi allineerebbero i loro poli magnetici secondo uno schema regolare. Ad esempio, se un atomo punta verso l’alto, i suoi vicini puntano verso il basso. Ma se gli atomi sono disposti in un triangolo, per esempio, ogni atomo ha due vicini che puntano a loro volta in direzioni opposte. Questa disposizione lascia il terzo senza nessuno a cui rivolgersi: non può opporsi a entrambi i suoi vicini contemporaneamente.
Quindi gli atomi nei liquidi con spin quantistico si rifiutano di scegliere. Invece, gli atomi finiscono in una sovrapposizione, una combinazione quantistica di spin su e giù, e lo stato di ogni atomo è collegato a quello dei suoi compatrioti. Gli atomi sono costantemente fluttuanti e non si depositano mai in una disposizione ordinata di spin, in modo simile a come gli atomi in un liquido normale sono sparpagliati piuttosto che disposti in uno schema che si ripete regolarmente, da cui il nome.
È stato difficile trovare prove conclusive dei liquidi con spin quantistico nei materiali solidi. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno adottato una strategia diversa: hanno creato un materiale artificiale composto da 219 atomi di rubidio intrappolati raffreddati a una temperatura di circa -273,15 ° Celsius. L’array di atomi, noto come simulatore quantistico programmabile, consente agli scienziati di mettere a punto il modo in cui gli atomi interagiscono per studiare forme esotiche di materia quantistica.
Nel nuovo esperimento, piuttosto che gli spin degli atomi in opposizione, una proprietà diversa ha creato disaccordo. I ricercatori hanno usato i laser per mettere gli atomi negli stati di Rydberg, il che significa che uno degli elettroni di un atomo viene portato a un livello di energia molto alto. Se un atomo si trova in uno stato di Rydberg, i suoi vicini preferiscono non esserlo. Questa configurazione genera una discordia Rydberg o no, analoga alla battaglia spin-up e-down in un tradizionale liquido di spin quantistico.
Gli scienziati hanno confermato l’effetto liquido dello spin quantistico studiando le proprietà degli atomi che cadevano lungo i circuiti tracciati attraverso il materiale. Secondo la matematica quantistica, quegli atomi avrebbero dovuto esibire alcune proprietà uniche dei liquidi con spin quantistico. I risultati hanno soddisfatto le aspettative per un liquido con spin quantistico e hanno rivelato che era presente un entanglement a lungo raggio.
In particolare, l’entanglement del materiale è topologico. Ciò significa che è descritto da una branca della matematica chiamata topologia, in cui un oggetto è definito da determinate proprietà geometriche, ad esempio il numero di fori.
La topologia può proteggere le informazioni dalla distruzione: un bagel che cade dal bancone avrà ancora esattamente un foro, ad esempio. Questa funzione di conservazione delle informazioni potrebbe essere un vantaggio per i computer quantistici, che devono fare i conti con informazioni quantistiche fragili e facilmente distrutte che rendono i calcoli soggetti a errori.
Se il materiale si qualifica veramente come un liquido con spin quantistico, nonostante non sia basato sullo spin, dipende dalla scelta del linguaggio, afferma il fisico teorico Christopher Laumann della Boston University, che non è stato coinvolto nello studio. Alcuni fisici usano il termine “spin” per descrivere altri sistemi con due possibili opzioni, perché ha la stessa matematica degli spin atomici che possono puntare verso l’alto o verso il basso. “Le parole hanno un significato, finché non lo fanno”, scherza. Tutto dipende da come li giri.
