Sorprendente inversione nei sistemi quantistici

Non si dovrebbero confrontare le mele con le pere. In topologia, tuttavia, una branca della matematica, lo si deve fare: mele e pere sono considerate topologicamente identiche perché nessuna delle due ha un buco - a differenza, ad esempio, dei cerchi di pasta e delle tazze da caffè, che ne hanno entrambi uno (nel caso della tazza, il buco nel manico) e sono quindi topologicamente identici. In modo più astratto, anche i sistemi quantistici in fisica possono avere una certa topologia a mela o a cerchio di pasta, che si manifesta negli stati energetici e nel movimento delle particelle. I ricercatori sono molto interessati a questi sistemi perché la loro topologia li rende resistenti al disordine e ad altre influenze di disturbo che sono sempre presenti nei sistemi fisici naturali.

Diventa particolarmente interessante quando le particelle di un tale sistema interagiscono anche tra loro, cioè si attraggono o si respingono, come gli elettroni nei solidi. Tuttavia, è estremamente difficile studiare insieme la topologia e le interazioni nei solidi. I ricercatori dell'ETH, guidati da Tilman Esslinger, sono ora riusciti a dimostrare gli effetti topologici in un tipo di solido artificiale in cui le interazioni possono essere attivate e disattivate mediante campi magnetici. I risultati, appena pubblicati sulla rivista Science, potrebbero essere utilizzati in futuro nelle tecnologie quantistiche.

Trasporto attraverso la topologia

Zijie Zhu, dottorando nel laboratorio di Esslinger e primo autore dello studio, e i suoi colleghi hanno costruito il solido artificiale a partire da atomi estremamente freddi (atomi fermionici di potassio), che sono stati intrappolati in reticoli spazialmente periodici utilizzando raggi laser. Ulteriori raggi laser hanno fatto sì che la profondità dei siti reticolari vicini diventasse ciclicamente più piccola e più grande in contro-ritmo. Dopo un certo tempo, i ricercatori hanno misurato le posizioni degli atomi nel reticolo, inizialmente senza interazione tra gli atomi. Hanno osservato che, a causa della topologia a ricciolo di pasta degli stati energetici nel potenziale periodico, le particelle venivano trasportate un sito reticolare più avanti nella stessa direzione ogni volta che il ciclo veniva ripetuto.

"Si può pensare a una vite", dice Konrad Viebahn, postdoc senior del team di Esslinger. La vite ruota in senso orario attorno al proprio asse, ma si muove in avanti. A ogni giro, la vite percorre una distanza fissa, indipendentemente dalla velocità di rotazione. Questo comportamento, noto anche come pompaggio topologico, è tipico di alcuni sistemi topologici.

Ma cosa succede quando la vite incontra un ostacolo? Nell'esperimento dei ricercatori dell'ETH, questo ostacolo era un raggio laser aggiuntivo che limitava la libertà di movimento degli atomi in direzione longitudinale. Dopo un centinaio di giri della vite, gli atomi hanno incontrato un muro, per così dire. Per restare all'immagine, questo muro rappresenta una topologia di mela in cui il pompaggio topologico non funziona più.

Sorprendente inversione

Sorprendentemente, però, gli atomi non si sono semplicemente fermati alla parete, ma si sono improvvisamente invertiti. La vite si muoveva ora all'indietro, pur continuando a girare in senso orario. Esslinger e i suoi collaboratori spiegano questa inversione con il fatto che nel reticolo esistono due topologie di riccioli di pasta: una con un ricciolo di pasta che ruota in senso orario e una con il senso di rotazione opposto. Alla parete, gli atomi possono passare da una topologia all'altra e quindi invertire la loro direzione di movimento.

I ricercatori hanno quindi attivato un'interazione repulsiva tra gli atomi e hanno osservato cosa succedeva. Anche in questo caso hanno avuto una sorpresa: gli atomi sono tornati indietro di fronte a una barriera invisibile ancora prima di aver raggiunto la parete del laser. "Utilizzando dei modelli di calcolo, siamo stati in grado di dimostrare che questa barriera invisibile è stata creata dagli atomi stessi respingendosi a vicenda", spiega la dottoranda Anne-Sophie Walter.

L'autostrada dei Qubit per i computer quantistici

"Con queste osservazioni abbiamo fatto un grande passo avanti verso una migliore comprensione dei sistemi topologici interagenti", spiega Esslinger, che sta studiando questi effetti nell'ambito di un Advanced Grant del Fondo Nazionale Svizzero (FNS). Presto condurrà ulteriori esperimenti per verificare se la vite topologica è effettivamente robusta contro il disordine come si suppone e come gli atomi si comportano in due o tre dimensioni spaziali. Esslinger ha già in mente anche applicazioni specifiche. Ad esempio, il trasporto di atomi o ioni tramite il pompaggio topologico potrebbe essere utilizzato come un'autostrada di qubit per portare i qubit (bit quantistici) al posto giusto nei computer quantistici senza riscaldarli o disturbare i loro stati quantistici.