Un orologio atomico per simulare il magnetismo

JILA researchers discover atomic clock can simulate quantum magnetism

Rappresentazione artistica dell’interazione atomica in un orologio atomico di stronzio. Gli atomi sono tutti interagenti e mantengono correlazioni basate sullo spin: queste interazioni possono essere utili per simulare il magnetismo. (Crediti:Ye group and Brad Baxley, JILA).

I ricercatori del JILA hanno usato per la prima volta un orologio atomico come se fosse un simulatore per studiare stati quantistici complessi. L’articolo, intitolato “A quantum many-body spin system in an optical lattice clock” è stato pubblicato su Science il 9 agosto 2013. Gli orologi atomici fanno parte di una lista di sistemi fisici che possono essere utilizzati per la modellazione e forse la comprensione del comportamento quanto meccanico di materiali esotici come i superconduttori ad alta temperatura, ossia materiali che conducono l’elettricità senza resistenza. Ma quasi tutti i sistemi quantistici sono troppo complicati per effettuare simili simulazioni; di qui l’interesse per i simulatori quantistici, dei dispositivi progettati ad hoc per fornire una spiegazione a problemi difficili.

In collaborazione con il National Institute of Standards and Technology (NIST) e con l’Università del Colorado, i ricercatori del JILA hanno eseguito un esperimento usando un orologio atomico con circa 2.000 atomi di stronzio neutri intrappolati in un fascio laser. E’ stato sorprendente scoprire che, a determinate condizioni, gli atomi dell’orologio interagiscono come gli atomi nei materiali magnetici. Questo significa che l’orologio atomico può essere usato come un vero e proprio simulatore per studiare con una precisione senza precedenti le interazioni dello spin magnetico. Gli atomi dell’orologio di stronzio sono disposti come una pila di 100 frittelle, ciascuna contenente circa 20 atomi. Normalmente gli atomi reagiscono individualmente a impulsi laser con il passaggio ad un altro livello energetico, ma i ricercatori hanno  scoperto che gli atomi possono anche interagire tra loro, prima a coppie e infine tutti insieme, dotando l’orologio di potenti funzionalità per un simulatore quantistico.

Se il fine è quello di avere un orologio atomico, gli atomi di stronzio hanno due livelli energetici utilizzabili, ciascuno con una particolare configurazione di elettroni. In questa simulazione tutti gli atomi iniziano allo stesso livello di energia e con la stessa configurazione elettronica – in gergo si dice che sono in uno stato di spin-down. Un rapido impulso da un laser molto stabile pone tutti gli atomi in una “sovrapposizione” di spin in modo che puntino sia su che giù. Ottenuto l’entanglement, a laser spento, gli atomi cominciano ad interagire. Un secondo dopo un altro impulso laser colpisce gli atomi in modo da prepararli per la misurazione della rotazione collettiva, per ottenere gli stati finali di spin di tutti gli atomi.

Nel mondo della fisica classica le misure avrebbero avuto risultati precisi, senza alcun “rumore”, o incertezza; al contrario, nel mondo quantistico una misura dello spin di solito ha una quantità di rumore casuale in linea di principio ineliminabile. L’esperimento ha dunque mostrato le correlazioni e che, circa una trentina di atomi, obbediscono alle stesse formule matematiche che descrivono il comportamento degli elettroni nei materiali magnetici. Resta possibile che all’aumento del numero di atomi coinvolti l’analogia con i risultati della fisica classica venga meno. Non resta che attendere nuovi esperimenti. (Fonte http://phys.org/news/2013-08-physicists-atomic-clock-simulate-quantum.html).

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