UniTrento - Atomi ultrafreddi e fasci laser per giocare il ruolo delle cariche elettriche

Trento, 19 novembre 2020 – (e.b.) Dalla natura alla scienza all’arte. Lo studio della simmetria, e delle conseguenze della sua rottura, pervade la storia dell’umanità. Nel campo della fisica sono centinaia le teorie elaborate per descrivere la simmetria come invarianza di un sistema sottoposto a un cambiamento. Tra le più note ci sono le teorie di gauge (dette anche teorie di scala) che hanno avuto successo nello spiegare, ad esempio, l'elettromagnetismo e l'interazione nucleare.
Risolvere le teorie di gauge con i computer classici, però, è un compito impari. Una difficoltà che ha stimolato un gruppo di ricerca internazionale a simulare le dinamiche della teoria di gauge in dispositivi quantistici di ingegneria microscopica. Per il gusto del sapere, ma anche per migliorare le conoscenze nel campo delle alte energie e della fisica nucleare. I risultati sono stati pubblicati dalla rivista scientifica Nature. Il lavoro vede protagonista l’Ateneo cinese di Hefei e coinvolge anche l’Università di Trento e quella di Heidelberg.
Tra gli autori, infatti, c’è Philipp Hauke, fisico tedesco arrivato un anno fa al Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento da Heidelberg. Hauke è stato il coordinatore del gruppo di teorici dell’ateneo italiano e di quello tedesco che ha sviluppato il modello teorico e ha fatto le simulazioni di benchmark con computer classici, mentre la parte sperimentale è stata coordinata da Zhen-Sheng Yuan e Jian-Wei Pan di Hefei ed eseguita a Heidelberg da un team intorno al suo postdoc Bing Yang.
Dall’entusiasmo di Hauke traspare la portata dello studio: «Per la prima volta abbiamo misurato la simmetria di gauge in laboratorio su un sistema di una certa grandezza e complessità. La simmetria di gauge, meglio conosciuta come “legge di Gauss”, prescrive che cariche positive (positroni) devono essere sorgenti del campo elettrico che termina su cariche negative (gli elettroni). Cioè, un campo elettrico non può cominciare o terminare nel vuoto. Questo collegamento tra cariche e campo è la caratteristica che definisce una teoria di gauge e che determina tutta la dinamica del sistema».
«Siamo riusciti a usare un dispositivo quantistico per simulare la dinamica di elettroni e positroni. Il simulatore quantistico, formato da atomi ultrafreddi e controllato da fasci laser, è tra i più grandi realizzati finora in questo ambito» spiega.
Quindi Hauke racconta l’esperimento: «Abbiamo tracciato una transizione di fase, simulando un cambio della massa a riposo della materia da un valoro molto negativo a uno grande e positivo. All’inizio, il sistema è pieno di cariche (cioè elettroni e positroni) con un campo elettrico tra cariche positive e negative. Man mano che si aumenta la massa a riposo la presenza di materia diventa energeticamente sfavorevole, per cui elettroni e positroni cominciano ad annichilirsi a vicenda. A un valore critico di massa a riposo, il sistema subisce una transizione a una nuova fase, dove la presenza di cariche è soppressa. In questa fase, un campo elettrico di fondo può passare senza ostacolo attraverso il sistema, mentre prima della transizione di fase sarebbe schermato dalle cariche presenti. Un risultato scientifico che apre la porta a future applicazioni a problemi di alte energie e fisica nucleare».
E conclude. «Con questo esperimento siamo arrivati a un livello di controllo e grandezza del sistema che permette di osservare effetti a molti corpi, un passo imprescindibile se nel futuro vogliamo usare questi simulatori quantistici per studiare la transizione di Higgs, che ha fatto grande rumore, o questioni aperte come il confinamento di cariche ed anticariche».

L’articolo
L’articolo, dal titolo “Observation of gauge invariance in a 71-site Bose-Hubbard quantum simulator”, è stato scritto per la rivista scientifica “Nature” da:
Bing Yang, Hui Sun, Han-Yi Wang, Zhen-Sheng Yuan e Jian-Wei Pan (University of Science and Technology of China, Hefei e Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg);
Robert Ott e Torsten V. Zache (Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg);
Jad C. Halimeh e Philipp Hauke (Ino-Cnr Bec Center e Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento).
Il lavoro scientifico è stato realizzato anche con il supporto finanziario del Consiglio europeo della ricerca (Erc Starting grant StrEnQTh) e della Provincia autonoma di Trento.
Pubblicato ieri, 18 novembre 2020, è disponibile in Open Access:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2910-8
(DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2910-8)