Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

Per quasi un secolo, gli scienziati hanno utilizzato un semplice test per comprendere come i materiali ricordino il proprio passato. Applicando un campo magnetico a un pezzo di ferro e poi invertendolo lentamente, osservano un ritardo: il materiale non inverte immediatamente la propria direzione magnetica quando la forza esterna cambia. Invece, oppone resistenza, mantenendo la propria orientazione originale finché la forza opposta non diventa abbastanza forte da spezzare la sua presa. Questo fenomeno, noto come isteresi, è il motivo per cui i magneti possono memorizzare dati e perché certi materiali agiscono come dispositivi di memoria. Nel mondo classico della fisica quotidiana, questo comportamento è ben compreso e si basa sull'esistenza di regioni magnetiche stabili che resistono al cambiamento. Tuttavia, una regola fondamentale della fisica classica afferma che in una linea monodimensionale di atomi magnetici, tale resistenza dovrebbe essere impossibile. Senza l'estensione della dimensione extra per creare strutture complesse e stabili, queste linee dovrebbero invertirsi istantaneamente e perfettamente con il campo applicato, non mostrando alcuna memoria.

Ciò crea una situazione enigmatica per la fisica moderna. I ricercatori hanno iniziato recentemente a utilizzare potenti computer quantistici, specificamente dispositivi progettati per risolvere complessi problemi di ottimizzazione, per simulare materiali magnetici. Queste macchine operano a temperature vicine allo zero assoluto e utilizzano le strane regole della meccanica quantistica, dove le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente e attraversare barriere per effetto tunnel. Poiché questi sistemi quantistici sono progettati per sfuggire agli stati di blocco e trovare rapidamente la soluzione ottimale, ci si aspettava che eliminassero proprio gli effetti di memoria che causano l'isteresi. Eppure, quando gli scienziati hanno eseguito esperimenti su queste macchine, hanno riscontrato l'opposto. Anche in linee monodimensionali di migliaia di bit quantistici, il sistema si è rifiutato di invertirsi istantaneamente. Ha mostrato una testarda resistenza, una chiara memoria del suo stato precedente e un ritardo che sfida le aspettative classiche. Questa scoperta suggerisce che la meccanica quantistica, invece di cancellare la memoria, può creare tipi di memoria del tutto nuovi.

In un nuovo studio, un team di ricercatori del Los Alamos National Laboratory si è posto l'obiettivo di comprendere questo sorprendente comportamento. Hanno utilizzato tre diverse generazioni di annealer quantistici D-Wave, ovvero computer specializzati contenenti migliaia di qubit superconduttori. I ricercatori hanno programmato queste macchine affinché agissero come lunghi anelli di spin magnetici, alcuni dei quali contenevano fino a 4.906 unità individuali. Hanno poi applicato un campo magnetico che cambiava direzione lentamente, imitando il classico test di isteresi. I risultati sono stati sorprendenti. Anche negli anelli monodimensionali, dove la fisica classica prevede l'assenza di resistenza, il sistema quantistico ha mostrato una distinta "coercitività", una misura di quanto sia difficile invertire la magnetizzazione. Il sistema non si è limitato a invertirsi; ha esitato, creando un ciclo nei dati che provava come esso ricordasse la propria orientazione passata. Questa memoria è persistita anche in regimi in cui la teoria classica dice che dovrebbe essere proibita.

Per spiegare come ciò accada, il team ha sviluppato un nuovo quadro teorico che combina due diversi modi di osservare il problema. Hanno compreso che il sistema si comporta come un ibrido tra una macchina quantistica e una classica. Sul lato quantistico, il sistema subisce rapidi salti discreti tra stati energetici, simili a una particella che attraversa una parete per effetto tunnel. Sul lato classico, una volta avvenuti questi salti, il sistema si comporta come una collezione di confini in movimento, o "pareti di dominio", che separano regioni con diverso allineamento magnetico. I ricercatori hanno scoperto che l'effetto di memoria deriva dall'interazione tra questi due processi. I salti quantistici creano stati eccitati che non sono la configurazione a energia minima, e il movimento delle pareti di dominio determina la velocità con cui il sistema può tornare a uno stato stabile. Poiché il sistema rimane intrappolato in questi stati eccitati per un certo periodo, non può invertirsi istantaneamente, creando il ritardo osservato.

Lo studio ha confermato che questo comportamento non è solo un errore dell'hardware, ma un vero e proprio fenomeno fisico. I ricercatori hanno osservato firme specifiche che solo un sistema quantistico potrebbe produrre, come una risposta temporanea negativa al campo magnetico e inversioni non monotoniche, in cui la magnetizzazione oscilla avanti e indietro in un pattern complesso prima di stabilizzarsi. Queste caratteristiche sono state riprodotte nelle loro simulazioni al computer, che utilizzavano un metodo alternante tra il calcolo delle transizioni quantistiche esatte e la modellazione del movimento dei confini magnetici. Le simulazioni hanno corrisposto quasi perfettamente ai dati sperimentali provenienti dagli annealer quantistici, catturando la forma dei cicli di isteresi e il modo in in cui l'effetto di memoria cambiava al variare della velocità di scansione del campo.

Uno dei risultati più significativi è che questa memoria quantistica è distinta dalla memoria termica osservata nei materiali ordinari. In un magnete standard, il calore aiuta il materiale a invertirsi. In questi esperimenti quantistici, la memoria persiste anche quando il sistema è abbastanza freddo da rendere trascurabili le fluttuazioni termiche. Invece, la memoria è guidata dalla competizione tra la velocità con cui il campo magnetico viene cambiato e i gap energetici naturali tra gli stati quantistici. Se il campo viene cambiato troppo velocemente, il sistema non riesce a stare al passo e rimane bloccato in uno stato ad alta energia. Se viene cambiato lentamente, il sistema ha il tempo di rilassarsi. I ricercatori hanno scoperto che, modulando la forza delle forze quantistiche e la velocità della scansione, potevano controllare la dimensione dell'effetto di memoria, restringendo o espandendo il ciclo di isteresi a piacimento.

Il team ha anche esplorato come la dimensione del sistema influenzi questo comportamento. Hanno testato anelli che variavano da soli quattro qubit fino a quasi cinquemila. Nei sistemi più piccoli, gli effetti quantistici erano più pronunciati, ma l'effetto di memoria rimaneva robusto anche negli anelli più grandi. Ciò suggerisce che il fenomeno non è un'anomalia su piccola scala, ma una proprietà fondamentale di come i sistemi quantistici evolvono quando vengono portati fuori dall'equilibrio. I ricercatori hanno notato che nelle griglie bidimensionali il comportamento era diverso, con un ordine magnetico più forte e campi più ampi necessari per invertire gli spin, in linea con quanto noto per i magneti classici. Tuttavia, gli anelli monodimensionali sono rimasti i più sorprendenti, poiché esibivano un livello di resistenza che la fisica classica dice non esistere.

Questo lavoro stabilisce gli annealer quantistici come strumenti potenti per studiare la dinamica fuori dall'equilibrio, un campo che tratta il modo in cui i sistemi si comportano quando vengono spinti e tirati anziché trovarsi in uno stato di calma. Dimostrando che queste macchine possono esibire una memoria programmabile, i ricercatori hanno aperto una nuova via per esplorare come i sistemi quantistici elaborano le informazioni e conservano la storia. La capacità di osservare e controllare questi effetti in un dispositivo programmabile significa che gli scienziati possono ora testare teorie sulla memoria quantistica e sulle transizioni di fase in un modo che prima era impossibile. Lo studio non sostiene di aver risolto tutti i misteri del magnetismo quantistico, ma fornisce un quadro chiaro e sperimentalmente verificato di come la memoria possa emergere dal caos delle transizioni quantistiche e del movimento delle pareti di dominio.

Le implicazioni di queste scoperte si estendono oltre le specifiche macchine utilizzate nell'esperimento. Il modello ibrido sviluppato dai ricercatori, che mescola calcoli quantistici con descrizioni classiche dei confini in movimento, offre un nuovo modo per simulare complessi materiali magnetici. Questo approccio potrebbe aiutare a progettare migliori dispositivi di memoria magnetica o a comprendere il comportamento di materiali esotici che non rientrano nelle categorie standard. Più importante ancora, evidenzia che i computer quantistici non sono solo calcolatori più veloci; sono laboratori unici dove le leggi fondamentali della fisica possono essere testate e manipolate. L'osservazione dell'isteresi in un sistema quantistico monodimensionale funge da promemoria del fatto che la natura spesso nasconde sorprese che sfidano i nostri presupposti più basilari, e che il confine tra il mondo quantistico e quello classico è molto più poroso di quanto si pensasse.

I ricercatori hanno concluso che la memoria osservata in questi esperimenti è un genuino effetto quantistico, derivante dal modo specifico in cui il sistema transita tra gli stati e si rilassa. Hanno escluso la possibilità che i risultati fossero semplicemente dovuti al calore o al rumore classico, poiché il comportamento persisteva in condizioni in cui tali fattori avrebbero dovuto essere trascurabili. Invece, la memoria è un risultato diretto dell'incapacità del sistema di adattarsi istantaneamente al campo magnetico variabile, un ritardo creato dal tempo finito necessario affinché avvengano le transizioni quantistiche e affinché i relativi domini magnetici si riorganizzino. Questo lavoro fornisce un esempio concreto di come la meccanica quantistica possa dare origine a comportamenti collettivi che imitano, e in alcuni casi superano, le capacità dei materiali classici. Suggerisce che, comprendendo e sfruttando questi effetti di memoria quantistica, potremmo sviluppare nuovi tipi di tecnologie di calcolo e di sensori che operano su principi che stiamo solo iniziando a comprendere.