in

Entanglement di molti atomi scoperto per la prima volta

Nuova pelliccia per il gatto quantistico: scoperto per la prima volta l'entanglement di molti atomi

Il gatto di Schrödinger con un mantello quantistico: i fisici delle Università di Dresda e Monaco di Baviera hanno scoperto una nuova transizione di fase quantistica nel materiale LiHoF4, in cui i domini si comportano in modo quantomeccanico. Credito fotografico: C. Hohmann, MCQST

Che si tratti di magneti o superconduttori, i materiali sono noti per le loro diverse proprietà. Tuttavia, queste proprietà possono cambiare spontaneamente in condizioni estreme. I ricercatori dell’Università Tecnica di Dresda (TUD) e dell’Università Tecnica di Monaco (TUM) hanno scoperto un tipo completamente nuovo di transizione di fase. Mostrano il fenomeno dell’entanglement quantistico di molti atomi, che finora è stato osservato solo nell’area di pochi atomi. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Natura.

Nuova pelliccia per il gatto quantico

In fisica, il gatto di Schrödinger è un’allegoria di due degli effetti più impressionanti della meccanica quantistica: entanglement e sovrapposizione. I ricercatori di Dresda e Monaco di Baviera hanno ora osservato questo comportamento su una scala molto più ampia di quella delle particelle più piccole. In precedenza era noto che i materiali che esibivano proprietà come il magnetismo hanno i cosiddetti domini, isole in cui le proprietà dei materiali sono omogenee di un tipo o dell’altro (immagina che siano nere o bianche, per esempio).

Considerando il fluoruro di olmio di litio (LiHoF4) i fisici hanno ora scoperto una transizione di fase completamente nuova in cui i domini esibiscono sorprendentemente caratteristiche quantomeccaniche, facendo sì che le loro proprietà si aggroviglino (bianco e nero allo stesso tempo). “Il nostro gatto quantistico ora ha una nuova pelliccia perché abbiamo scoperto una nuova transizione di fase quantistica in LiHoF4 la cui esistenza era precedentemente sconosciuta”, afferma Matthias Vojta, Chair of Theoretical Solid State Physics al TUD.

Transizioni di fase ed entanglement

Possiamo facilmente osservare le proprietà che cambiano spontaneamente di una sostanza quando osserviamo l’acqua: a 100 gradi Celsius vaporizza in un gas, a zero gradi Celsius si congela in ghiaccio. In entrambi i casi, questi nuovi stati della materia sorgono come risultato di una transizione di fase in cui le molecole d’acqua si riorganizzano, modificando così le proprietà della materia. Proprietà come il magnetismo o la superconduttività derivano dalle transizioni di fase degli elettroni nei cristalli. Per transizioni di fase vicine allo zero assoluto a -273,15 gradi Celsius, entrano in gioco effetti quantomeccanici come l’entanglement e le transizioni di fase quantistiche.

“Sebbene le transizioni di fase nei materiali quantistici siano state studiate intensamente per più di 30 anni, in precedenza avevamo ipotizzato che il fenomeno dell’entanglement avesse un ruolo solo su scala microscopica, in cui sono coinvolti solo pochi atomi alla volta”, spiega Christian Pfleiderer , Professore di Topologia dei sistemi correlati al TUM.

L’entanglement quantistico è uno stato in cui le particelle quantistiche entangled esistono in uno stato di sovrapposizione comune che consente il verificarsi simultaneo di proprietà normalmente mutuamente esclusive (ad esempio bianco e nero). Le leggi della meccanica quantistica generalmente si applicano solo alle particelle microscopiche. I gruppi di ricerca di Monaco e Dresda sono ora riusciti a osservare gli effetti dell’entanglement quantistico su una scala molto più ampia, quella di migliaia di atomi. Per questo hanno deciso di collaborare con il noto collegamento LiHoF4.

I campioni sferici consentono misurazioni di precisione

A temperature molto basse, LiHoF4 agisce come un ferromagnete in cui tutti i momenti magnetici puntano spontaneamente nella stessa direzione. Se un campo magnetico viene applicato esattamente perpendicolarmente alla direzione magnetica preferita, i momenti magnetici cambiano la loro direzione, che viene definita fluttuazione. Maggiore è l’intensità del campo magnetico, più forti diventano queste fluttuazioni, finché alla fine il ferromagnetismo scompare completamente in una transizione di fase quantistica. Questo porta all’entanglement dei momenti magnetici vicini. “Se tieni in mano un LiHoF4 Il campione esposto a un magnete molto forte smette improvvisamente di essere magnetico spontaneamente. Questo è noto da 25 anni”, afferma Vojta.

La novità è ciò che accade quando si cambia la direzione del campo magnetico. “Abbiamo scoperto che la transizione di fase quantistica è ancora in corso, mentre in precedenza si credeva che anche la minima inclinazione del campo magnetico l’avrebbe soppressa immediatamente”, spiega Pfleiderer. In queste condizioni, tuttavia, non sono i singoli momenti magnetici che attraversano queste transizioni di fase quantistiche, ma aree magnetiche estese, i cosiddetti domini ferromagnetici. I domini formano intere isole di momenti magnetici che puntano nella stessa direzione.

“Abbiamo utilizzato campioni sferici per le nostre misurazioni di precisione. Questo ci ha permesso di esaminare in dettaglio il comportamento di piccoli cambiamenti nella direzione del campo magnetico”, aggiunge Andreas Wendl, che ha condotto gli esperimenti come parte della sua tesi di dottorato.

Dalla fisica di base alle applicazioni

“Abbiamo scoperto un tipo completamente nuovo di transizione di fase quantistica, in cui l’entanglement avviene sulla scala di molte migliaia di atomi invece che solo nel microcosmo di pochi”, spiega Vojta. “Se immagini i domini magnetici come modelli in bianco e nero, la nuova transizione di fase fa sì che le aree bianche o nere diventino incredibilmente piccole, ovvero formino un modello quantistico, prima che si dissolvano completamente”. i dati ottenuti dagli esperimenti.

“Per la nostra analisi, abbiamo generalizzato i modelli microscopici esistenti e abbiamo anche tenuto conto del feedback dei grandi domini ferromagnetici sulle proprietà microscopiche”, afferma Heike Eisenlohr, che ha eseguito i calcoli come parte del suo dottorato. Tesi.

La scoperta delle nuove transizioni di fase quantistiche è importante come base e quadro di riferimento generale per lo studio dei fenomeni quantistici nei materiali e per nuove applicazioni. “L’entanglement quantistico viene applicato e utilizzato in tecnologie come sensori quantistici e computer quantistici, tra le altre cose”, afferma Vojta. Pfleiderer aggiunge: “Il nostro lavoro è nel campo della ricerca di base, che può avere un impatto diretto sullo sviluppo di applicazioni pratiche se le proprietà dei materiali vengono utilizzate in modo mirato”.


I limiti di velocità dei fenomeni quantistici sono stati estesi a oggetti di dimensioni macro


Maggiori informazioni:
Andreas Wendl et al, Origine delle transizioni di fase quantistica mesoscala in un ferromagnete, Natura (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04995-5

Fornito dall’Università Tecnica di Dresda

Citazione: New Fur for the Quantum Cat: Entanglement of Many Atoms Discovered for the First Time (2022, 2 settembre) recuperato il 3 settembre 2022 da https://phys.org/news/2022-09-fur-quantum-cat- atomi di entanglement.html

Questo documento è protetto da copyright. Fatta eccezione per il commercio equo e solidale a scopo di studio o ricerca privata, nessuna parte può essere riprodotta senza autorizzazione scritta. Il contenuto è solo a scopo informativo.

Gli astronomi sono perplessi dai misteriosi anelli concentrici attorno alle stelle nel nuovo telescopio spaziale James Webb

La NASA fa schiantare un’astronave da 330 milioni di dollari contro un asteroide per vedere se l’impatto può cambiare rotta | asteroidi