I fisici creano per la prima volta bizzarri anelli quantistici di Alice

I ricercatori hanno manipolato migliaia di atomi estremamente freddi per creare un difetto ad anello in grado di modificare le proprietà degli oggetti quantistici che lo attraversano

Di Karmela Padavic-Callaghan

29 agosto 2023

Illustrazione artistica di un anello di Alice, osservato per la prima volta

Università Heikka Valja/Aalto

I fisici hanno sbirciato attraverso il proverbiale specchio e gli atomi dall'altra parte appartengono a un mondo di opposti. Per la prima volta, i ricercatori hanno realizzato un oggetto quantistico esotico chiamato anello Alice, che cambia le proprietà di altri oggetti quantistici quando lo attraversano o quando vengono semplicemente osservati attraverso di esso.

I sistemi quantistici – come gli insiemi di atomi molto freddi, o anche il nostro intero universo – dovrebbero teoricamente contenere oggetti strani chiamati difetti topologici. Alcuni sono come lunghe corde, altri sono ancora più strani: punti a dimensione zero, al centro dei quali cose come i campi magnetici diventano matematicamente impossibili da descrivere.

Tali difetti sono difficili da creare e osservare. Ma Mikko Möttönen dell'Università di Aalto in Finlandia e i suoi colleghi hanno scoperto come creare un difetto topologico che si trasforma rapidamente in un altro.

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Per farlo, hanno prima posizionato 250.000 atomi di rubidio in una piccola camera priva di aria, poi li hanno colpiti con i laser per rallentare il loro movimento naturale e spingerli a una temperatura vicina allo zero assoluto. In queste condizioni, tutti gli atomi si comportavano come un unico grande oggetto quantistico. A causa di una proprietà quantistica chiamata spin, quell’oggetto era sensibile ai campi magnetici.

Möttönen afferma che il team ha utilizzato simulazioni al computer e modelli matematici per determinare come modellare la direzione e la forza dei campi magnetici in modo da torcere gli atomi fino alla comparsa di un difetto topologico. Questo approccio era stato precedentemente utilizzato per creare difetti chiamati monopoli, particelle analoghe a un magnete con un unico polo.

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Ora, i ricercatori hanno anche osservato il destino di un monopolo: dopo pochi millisecondi, ogni monopolo da loro creato si è espanso in un anello Alice con una proprietà molto strana.

“C'è una particolarità in questo anello di Alice. A seconda che si guardi un monopolo vicino attraverso l'anello o dal lato dell'anello, la sua carica appare diversa. Quindi l’anello inverte la carica degli oggetti che guardi”, afferma Möttönen. Le simulazioni al computer hanno inoltre dimostrato che la carica di un monopolo si invertirebbe completamente – da positiva a negativa, per esempio – se si muovesse attraverso l'anello di Alice.

Möttönen e i suoi colleghi hanno precedentemente utilizzato questo metodo per creare difetti topologici negli atomi ultrafreddi, comprese strutture simili a nodi e speciali vortici chiamati skyrmion. La prossima sfida su cui si stanno concentrando non è solo creare un monopolo e un anello Alice, ma farne passare uno attraverso l'altro per testare direttamente la sua funzione simile a uno specchio, dice.

Janne Ruostekoski dell'Università di Lancaster nel Regno Unito afferma che il metodo sviluppato dai ricercatori è unico e potrebbe persino rendere possibile la visualizzazione di teoremi matematici astratti. Ad esempio, potrebbe offrire agli scienziati un modo per studiare il cosiddetto “teorema della palla pelosa”, che determina la struttura dei campi attorno ai difetti topologici.

Ciò apre “opportunità senza precedenti” per sondare le teorie della cosmologia o della fisica delle alte energie “dove prima non c’erano prove sperimentali”, dice.

Riferimento alla rivista:

DOI comunicazioni naturalistiche: 10.1038/s41467-023-40710-2