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Particelle quantistiche che si comportano come un boomerang
Immagina di lanciare una biglia su una superficie ruvida: la biglia avanzerà, rallentando fino a fermarsi. Ma se la biglia fosse una biglia quantistica, sia una biglia (una particella) che un’onda, cosa accadrebbe? Ebbene, una volta lanciata, andrebbe avanti, rallenterebbe, e alla fine si girerebbe per tornare al punto di partenza dove si fermerebbe per sempre. Questo fenomeno, chiamato boomerang quantistico, è intimamente legato alla ruvidità della superficie, ciò che i fisici chiamano “disordine”.
Disordine nel mondo quantistico: la storia di un premio Nobel
Supponiamo di posizionare la sfera quantistica su una superficie liscia senza disordine (nessuna rugosità). Nel mondo quantistico, una particella si comporta anche come un’onda: l’onda sferica può andare ovunque e quindi si disperde sull’intera superficie. Questo meccanismo è alla base delle proprietà di conduzione dei metalli: se un elettrone viene iniettato in un cristallo (cioè un solido in cui gli atomi sono disposti in modo periodico e ordinato), la sua onda quantistica si diffonde molto rapidamente e si riposiziona ovunque nel cristallo. Questo è il motivo per cui una corrente elettrica può fluire facilmente attraverso un filo di rame.
Supponiamo ora che la superficie non sia più liscia: la palla verrà deviata dai dossi e dalle cavità della superficie. L’onda si estenderà di nuovo, ma questa volta dividendosi in diverse onde che interferiranno. Queste interferenze quantistiche rallenteranno la diffusione dell’onda e, dopo un certo tempo, la palla d’onda si congelerà e rimarrà confinata. Anche se inclini la superficie o la scuoti, non accadrà nulla: la palla d’onda non si muove. Questo fenomeno, chiamato localizzazione di Anderson (perché fu scoperto da Philip Warren Anderson nel 1958), è alla base delle proprietà isolanti di alcuni materiali in cui gli atomi sono disposti in modo disordinato, come i polimeri. Questa scoperta fece vincere ad Anderson il Premio Nobel nel 1977.
Nessuno aveva pensato di lanciare la palla…
Cosa succede se, ora, lanciamo la palla d’onda con una certa velocità sulla superficie ruvida invece di appoggiarla semplicemente? In questa situazione, ci si aspetta che il fenomeno di localizzazione di Anderson si ripeta e che alla fine limiti il movimento della palla. Quello che è meno ovvio è il luogo dove la palla si ferma. Infatti, laddove una palla classica continuerebbe ad allontanarsi e si fermerebbe mediamente a una certa distanza dal suo punto di partenza, la palla quantistica ha un movimento più inaspettato: anch’essa inizia allontanandosi, ma, molto velocemente, le interferenze quantistiche fanno il loro lavoro e poi favoriscono il suo ritorno al punto di origine: la palla si gira e ritorna, come un boomerang, per fermarsi al punto di partenza. Questo fenomeno è chiamato “quantum boomerang”.
La localizzazione di Anderson e il boomerang quantistico sono quindi due facce dello stesso fenomeno fisico: se l’onda non è localizzata e può andare arbitrariamente lontano, allora non ritorna; se invece è localizzato ritorna necessariamente al punto di partenza. Insistiamo sul fatto che qui il disordine è un elemento essenziale per il verificarsi dell’effetto boomerang: con una superficie liscia, non compare alcuna interferenza e la palla d’onda continua il suo cammino senza mai tornare.
Dopo aver previsto l’effetto boomerang quantistico nel 2019 utilizzando un semplice modello teorico, è stato successivamente descritto in un sistema più accessibile nella pratica. Basandosi su questo lavoro, il gruppo di David Weld a Santa Barbara ha recentemente osservato l’effetto boomerang in un esperimento di atomi ultrafreddi in cui è possibile controllare finemente il disordine e osservare direttamente gli atomi che tornano al loro punto di partenza.
Un altro concetto importante che influenza il movimento dell’onda sferica e proposto nella descrizione teorica dell’effetto boomerang è la simmetria di inversione temporale del sistema quantistico. Questa simmetria corrisponde al fatto che le equazioni fondamentali della meccanica quantistica sono generalmente identiche tra passato e futuro: se filmiamo una particella che si muove sotto l’effetto di forze e riproduciamo il film a testa in giù, il movimento inverso obbedisce alle stesse leggi di fisica. Se il passato deve essere uguale al futuro, la palla d’onda non ha scelta: deve tornare da dove è venuta. Un punto chiave qui è che se riusciamo a rompere questa equivalenza passato/futuro, possiamo modificare il punto in cui gli atomi si fermeranno. Questo è esattamente ciò che è stato ottenuto nell’esperimento di Santa Barbara, dove i ricercatori sono stati in grado di rompere la simmetria in modo controllato mediante inversione temporale e quindi scegliere il punto di ritorno del boomerang.
Uno strumento unico per sondare gli stati quantistici della materia?
Il boomerang quantistico è uno strumento utile per diagnosticare e misurare il fenomeno di localizzazione di Anderson, che è onnipresente nel mondo quantistico ogni volta che esiste disordine nell’ambiente. Per questo è necessario sapere come lanciare una particella d’onda con una velocità iniziale e misurarne la posizione finale. Questo è abbastanza difficile da fare con gli elettroni di un filo conduttivo (dove si ha accesso solo all’ingresso e all’uscita del filo, ma non al movimento degli elettroni all’interno del filo), il che potrebbe spiegare perché nessuno aveva pensato di “lanciare il marmo” prima del 2019. Tuttavia, è relativamente facile da ottenere con atomi ultrafreddi prodotti in laboratorio in condizioni ben controllate.
Il boomerang quantistico ha già permesso di studiare situazioni più complicate. Nei sistemi fisici reali, ad esempio, elettroni, atomi, ecc. (le sfere quantistiche) non sono indipendenti l’una dall’altra, ma si attraggono o si respingono. Queste “interazioni” disturbano il loro movimento e quindi, a priori, il boomerang quantistico.
Più sorprendentemente, nel limite in cui le particelle quantistiche interagiscono fortemente tra loro, si prevedeva che il disordine potesse sempre dar luogo a un cosiddetto fenomeno di localizzazione a molti corpi , un nuovo stato della materia che permane nel tempo ancora poco compreso e abbastanza difficile caratterizzare sperimentalmente. In questo contesto, il boomerang quantistico potrebbe rivelarsi uno strumento prezioso per sondare la localizzazione di molti corpi.
In un registro leggermente diverso, il ruolo preciso della simmetria di inversione temporale nella fisica del boomerang quantistico non è ancora del tutto chiaro. Il boomerang quantistico continua a riportare i fisici al punto in cui è iniziata la meccanica quantistica…
Autore
Nicolas Cherrort, Università della Sorbona, Dominique Delande, Università della Sorbona, Patrizia Vignolo, Università della Costa Azzurra