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Come scovare quasiparticelle quasi immobili? C'è una nuova pista
Un gruppo di ricercatori dell’HZB, guidato da Johannes Reuther e Nils Niggemann, ha ottenuto nuove evidenze numeriche della possibile presenza di fracton in un modello quantistico di un solido più realistico rispetto alle precedenti descrizioni teoriche. Queste entità, caratterizzate da una mobilità estremamente limitata, restano ancora da osservare direttamente nei liquidi di spin quantistici: il risultato offre condizioni teoriche più concrete da provare a riprodurre in laboratorio.
I fracton appartengono alla famiglia delle quasiparticelle, entità che emergono dal comportamento collettivo di molte particelle interagenti all’interno di un materiale. Un esempio sono i fononi, con cui si descrivono le vibrazioni che si propagano nel reticolo di un cristallo. Nel quadro descritto dai ricercatori, i fracton compaiono invece agli angoli delle pareti che separano domini magnetici con differenti disposizioni degli spin. Un singolo fracton è sostanzialmente incapace di spostarsi da solo: il suo movimento richiede interazioni con altri fracton.
Tra gli stati della materia nei quali è stata prevista la loro comparsa ci sono i liquidi di spin quantistici. Il nome non indica una sostanza liquida: si tratta di stati che possono manifestarsi nei cristalli, nei quali i momenti magnetici degli elettroni non si assestano in una configurazione fissa neppure allo zero assoluto, pari a 0 kelvin. Le fluttuazioni quantistiche persistono, richiamando nell’analogia il continuo movimento degli atomi di un liquido.
Finora, le previsioni dei fracton in questi sistemi si basavano su formulazioni molto generali, note come teorie di gauge U(1) di rango 2. Il gruppo ha cercato di avvicinare questa descrizione a un modello quantistico di un solido. I lavori precedenti avevano però incontrato un ostacolo: quando gli effetti quantistici erano troppo intensi, i fracton scomparivano; quando erano troppo deboli, sopravvivevano soltanto come entità classiche, prive del comportamento quantistico cercato.
Per superare il problema, i ricercatori hanno perfezionato la rappresentazione delle interazioni tra spin. Le nuove simulazioni forniscono evidenze a favore dell’esistenza della fase cercata in condizioni quantistiche più realistiche. Reuther spiega che lo sviluppo del modello beneficia anche del confronto con i colleghi dell’HZB impegnati nella fisica sperimentale dello stato solido. Il risultato rimane comunque numerico: non equivale alla rilevazione di fracton in un materiale reale.
Il passaggio successivo consiste nell’individuare o costruire un sistema fisico capace di riprodurre le condizioni previste dal modello. Una possibilità indicata dal gruppo è utilizzare simulatori basati su atomi di Rydberg. Questa piattaforma potrebbe consentire di mettere alla prova la previsione e cercare le quasiparticelle in un esperimento, ma la ricerca non ne annuncia ancora l’osservazione.
La difficoltà dei fracton a muoversi alimenta anche un’ipotesi applicativa: sfruttarli per conservare informazione quantistica in modo più robusto. Per ora è una prospettiva proposta dai ricercatori, non una capacità dimostrata né una memoria già realizzata. Prima di valutarne l’utilità tecnologica occorre verificare che questi stati possano esistere nei sistemi fisici disponibili e che mostrino effettivamente il comportamento previsto dalle simulazioni.
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