Gli stati quantistici hanno “memoria”

VIENNA – Qual è il rapporto tra ordine e disordine negli stati quantici? Alcune evidenze sperimentali suggeriscono che in fisica quantistica la transizione da uno stato all’altro sia molto diversa da quella che esperiamo nella vita quotidiana. Uno studio pubblicato su Physical Review Letters dimostra che, nei sistemi quantistici unidimensionali, esiste uno stato intermedio tra ordine e disordine, stato che mantiene in memoria l’ordine iniziale.

Nei sistemi macroscopici è il secondo principio della termodinamica che ci aiuta a capire il significato dei due concetti richiamati all’inizio. Molti eventi termodinamici sono irreversibili – il passaggio di calore da un corpo caldo ad un corpo freddo, ad esempio. Non accade mai che lo zucchero sciolto nel caffè ritorni allo stato solido, né che i cubetti di ghiaccio nel bicchiere di coca cola, dopo essersi sciolti, ritornino tali – o, meglio, la probabilità che ciò accada si avvicina allo zero. Lo zucchero e i cubetti si sciolgono: questo significa che il sistema raggiunge uno stato di ordine o equilibrio in cui non si conserva alcuna memoria degli stati precedenti.

Nei sistemi microscopici avviene qualcosa di diverso. La differenza si può comprendere osservando il comportamento dei condensati di Bose-Einstein. Se si porta un insieme di fotoni ad una temperatura vicina allo zero assoluto, si ottiene un particolare stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein (BEC). Il condensato ha una peculiarità: a causa della temperatura bassissima, un numero non trascurabile di particelle di questa nube si sposta nello stato quantistico di più piccola energia. Questo passaggio permette di vedere gli effetti quantistici su scala macroscopica. In che modo?

Uno stato intermedio tra ordine e disordine. Nel 2012, il gruppo di ricerca coordinato dal Prof. Jörg Schmiedmayer, che lavora nel Quantum Science and Technology (VCQ) della University of Technology di Vienna, ha dimostrato che i condensati di Bose-Einstein tendono verso uno stato di equilibrio in cui le loro proprietà fisico-quantistiche non sono più visibili. Tuttavia, a differenza di quanto accade nel macrocosmo, tra i due stati estremi (di ordine e disordine) è stato isolato uno stato intermedio.

Nello stato intermedio, battezzato pre-thermalized state, le particelle restano per un tempo sorprendentemente lungo senza dimenticare la loro origine quantistica. Hanno dunque memoria dello stato iniziale. Il fenomeno, che sembra essere stabile e indipendente dalla temperatura, è stato così spiegato da Jörg Schmiedmayer, uno degli autori della ricerca: “abbiamo diviso la nube in due parti e le abbiamo ricombinate dopo un po’ di tempo. Se si formano tipi di onde, allora le nubi atomiche contengono ancora informazioni su che è emerso da uno stato quantistico altamente ordinato”.

Gli scienziati hanno osservato con attenzione questo stato intermedio che, per certi, aspetti, risulta altamente controintuitivo: “immaginate una stanza piena di aria accanto ad una vuota. Quando si apre una porta tra quelle stanze, il sistema si avvicina ad un equilibrio, fino a quando le molecole sono equamente distribuiti nelle due sale. Questo passaggio, tuttavia, dipende fortemente da parametri esterni come la pressione e la temperatura”, precisa Max Kuhnert della University of Technology di Vienna. Maggiori sono la pressione e la temperatura iniziali, maggiore è la velocità con cui le informazioni sullo stato iniziale vengono perse. “Lo stato delle nostre nubi atomiche pre-thermalized si raggiunge indipendentemente dalla pressione e dalla temperatura”, spiega Max Kuhnert.

Una nuova scala di lunghezze. Gli esperimenti mostrano che il pre-thermalized state  è caratterizzato da una nuova scala di lunghezze. Si tratta della lunghezza di correlazione, una misura diretta della memoria quantistica dello stato iniziale ordinato, in cui proprietà fisiche del condensato possono ancora essere percepite.

“Questa lunghezza di correlazione emergente è definita dalla densità del gas quantistico iniziale, ma diventa visibile solo nella dinamica della transizione da uno stato ordinato allo stato pre-thermalized”, aggiunge Jörg Schmiedmayer. “Il fatto che questa lunghezza di correlazione non dipende dalla temperatura iniziale indica fortemente che lo stato pre-thermalized è una proprietà fondamentale della fisica quantistica, e che ha particolare rilevanza”, conclude Max Kuhnert.

Una più profonda comprensione di questo stato quantistico sarà utile non solo per spiegare il comportamento del condensato di Bose-Einstein, ma soprattutto per gettare luce sui alcune caratteristiche e proprietà dell’Universo primordiale – in primis il plasma di quark e gluoni.