Un gruppo di ricercatori dell'Università di Innsbruck ha dimostrato che un sistema quantistico sottoposto a stimolazione continua e intensa può smettere completamente di assorbire energia, sfidando uno dei principi più radicati della termodinamica classica. La scoperta, pubblicata sulla rivista Science, rivela un meccanismo fondamentale che potrebbe avere profonde implicazioni per lo sviluppo di tecnologie quantistiche future, in particolare per computer quantistici e simulatori capaci di mantenere stati delicati senza soccombere al caos termico.
Il team guidato da Hanns Christoph Nägerl, presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale, ha creato un fluido quantistico unidimensionale utilizzando atomi ultrafreddi portati a temperature di pochi nanokelvin sopra lo zero assoluto. In queste condizioni estreme, gli atomi interagiscono fortemente tra loro e manifestano proprietà quantistiche macroscopiche. Gli scienziati hanno poi applicato un potenziale reticolare generato da luce laser, attivandolo e disattivandolo rapidamente in modo ripetuto. Questa configurazione equivale a "calciare" continuamente gli atomi, fornendo loro energia dall'esterno in modo periodico e controllato.
Secondo le previsioni teoriche classiche e anche quelle basate su modelli quantistici standard, il sistema avrebbe dovuto comportarsi come un trampolino: a ogni spinta corrisponde un incremento di movimento ed energia cinetica. Gli atomi avrebbero dovuto distribuirsi in uno spettro sempre più ampio di momenti, riscaldandosi progressivamente fino a raggiungere uno stato termalizzato. Invece, dopo una breve fase iniziale, la distribuzione dei momenti si è arrestata completamente. L'energia cinetica ha smesso di crescere e si è stabilizzata, nonostante la stimolazione esterna continuasse senza interruzione.
Questo comportamento anomalo corrisponde a uno stato chiamato localizzazione dinamica a molti corpi (many-body dynamical localization, MBDL), nel quale il movimento degli atomi rimane "congelato" nello spazio dei momenti. Come spiega Nägerl, in questo regime la coerenza quantistica e l'entanglement a molti corpi impediscono al sistema di termalizzare e di mostrare comportamenti diffusivi, anche sotto stimolazione esterna sostenuta. La distribuzione dei momenti mantiene essenzialmente la struttura che aveva acquisito nella fase iniziale, rifiutandosi di evolvere ulteriormente.
Yanliang Guo, primo autore dello studio, ha ammesso che il risultato ha sorpreso anche i ricercatori stessi. "Ci aspettavamo inizialmente che gli atomi iniziassero a volare ovunque. Invece, si sono comportati in modo straordinariamente ordinato", ha dichiarato. Anche Lei Ying, collaboratore teorico dell'Università di Zhejiang a Hangzhou, in Cina, ha condiviso lo stupore: il fatto che in un sistema fortemente guidato e fortemente interagente la coerenza a molti corpi possa effettivamente arrestare l'assorbimento di energia contrasta con l'intuizione classica e rivela una stabilità notevole radicata nella meccanica quantistica.
Per verificare la robustezza di questo stato insolito, i ricercatori hanno introdotto una perturbazione controllata nel protocollo sperimentale, aggiungendo casualità alla sequenza di impulsi. L'effetto è stato immediato e drammatico: anche una piccola quantità di disordine è bastata a distruggere la localizzazione. Una volta interrotta la coerenza quantistica, gli atomi hanno ripreso a comportarsi in modo convenzionale, diffondendo i loro momenti e assorbendo energia senza limiti. Questo test ha evidenziato che la coerenza quantistica è l'ingrediente cruciale che impedisce la termalizzazione in sistemi a molti corpi sottoposti a stimolazione continua.
Ying ha sottolineato che riprodurre questo comportamento tramite simulazioni classiche al computer è estremamente difficile, proprio a causa della complessità dell'entanglement quantistico coinvolto. Questo rende gli esperimenti come quello di Innsbruck essenziali per esplorare regioni della fisica quantistica che sfuggono alla capacità computazionale tradizionale. Il lavoro sperimentale e le simulazioni teoriche devono quindi procedere di pari passo per comprendere appieno questi fenomeni emergenti.
Le implicazioni pratiche della scoperta vanno ben oltre la fisica fondamentale. Uno dei maggiori ostacoli nello sviluppo di simulatori quantistici e computer quantistici è proprio il riscaldamento indesiderato, che distrugge rapidamente gli stati quantistici delicati necessari per le operazioni di calcolo. Dimostrare che, in condizioni opportune, il riscaldamento può essere completamente arrestato apre prospettive nuove per la progettazione di dispositivi quantistici più stabili e resilienti. Come osserva Guo, l'esperimento fornisce un metodo preciso e altamente controllabile per esplorare come i sistemi quantistici possano resistere al richiamo del caos.
