Evidence for spontaneous breaking of a continuous symmetry at a non-conformal quantum critical point in one dimension

Nel silenzioso mondo della fisica quantistica, dove atomi ed elettroni seguono regole che spesso sfidano la nostra intuizione quotidiana, esiste una regola di lunga data su come le cose possano organizzarsi. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che in un mondo piatto, bidimensionale, o in una sottile linea monodimensionale, è impossibile che una simmetria continua si rompa spontaneamente all'equilibrio. Immaginate una folla di persone che cercano tutte di guardare nella stessa direzione; in una stanza piccola o in un corridoio stretto, il continuo scompiglio e il rumore termico impedirebbero loro di incastrarsi mai in una posa singola e unificata. Questo principio, noto come teorema di Hohenberg-Mermin-Wagner, suggerisce che nelle basse dimensioni l'ordine sia sempre fugace, esistendo solo come un debole sussurro di allineamento piuttosto che come uno stato solido e incrollabile. Tuttavia, questa regola si basa su condizioni specifiche, come il fatto che il sistema si trovi in uno stato di equilibrio e abbia interazioni che svaniscono rapidamente con la distanza. Quando queste condizioni vengono allentate, o quando il sistema viene spinto verso un punto critico di svolta in cui non è né completamente ordinato né completamente disordinato, le vecchie regole possono talvolta essere riscritte. Comprendere queste eccezioni è cruciale perché rivelano nuovi modi in cui la materia può organizzarsi, portando potenzialmente a stati esotici della materia che un giorno potrebbero alimentare nuove tecnologie o approfondire la nostra comprensione dei blocchi fondamentali dell'universo.

Un team di ricercatori ha ora scoperto un esempio sorprendente di questa eccezione in una catena monodimensionale di particelle. Utilizzando potenti simulazioni al computer, hanno studiato una specifica disposizione di particelle rotanti, nota come catena di spin-1, che interagisce con i suoi vicini più prossimi. Questo sistema è governato da un delicato equilibrio di forze: un'attrazione magnetica che vuole allineare gli spin, e altre forze che cercano di mantenerli piatti o orientati in modi specifici. Gli scienziati erano particolarmente interessati a un punto di transizione in cui il sistema si sposta tra due diversi tipi di ordine magnetico. In questa transizione, una semplice simmetria a due facce si rompe, il che significa che gli spin scelgono tra due stati distinti. Ciò che i ricercatori hanno scoperto è sorprendente e controintuitivo: nel momento esatto in cui questa semplice simmetria si rompe, anche una simmetria continua molto più complessa si frantuma.

In questa specifica catena, le particelle possiedono una simmetria continua che normalmente impedisce loro di stabilirsi in una direzione fissa nel piano perpendicolare alla catena. Secondo la teoria standard, le costanti fluttuazioni quantistiche in una tale linea monodimensionale dovrebbero mantenere gli spin in continuo movimento, impedendo loro di incastrarsi mai in un'unica orientazione. Eppure, le simulazioni hanno mostato che, al punto critico della transizione, questi movimenti cessano improvvisamente. Gli spin nella direzione perpendicolare si allineano perfettamente attraverso l'intera catena, creando uno stato di vero ordine a lungo raggio. Ciò significa che se osservaste lo spin a un'estremità della catena e lo spin all'altra estremità, essi punterebbero nella stessa direzione, un traguardo precedentemente ritenuto impossibile in questo contesto. I ricercatori hanno osservato questo allineamento attraverso diverse misurazioni differenti. Hanno visto un magnetizzazione costante e non nulla nella direzione perpendicolare che non svaniva man mano che la simulazione diventava più precisa. Hanno anche rilevato un picco netto e distinto nello spettro energetico del sistema, una firma che conferma la presenza di questo ordine rigido. Inoltre, le correlazioni tra gli spin non decadevano con la distanza ma rimanevano costanti, agendo come un solido ponte di allineamento che si estende attraverso l'intera catena.

Il team ha anche misurato la velocità con cui le perturbazioni viaggiano attraverso questo stato ordinato. Hanno scoperto che la velocità di queste onde, o la relazione tra la loro energia e la loro lunghezza d'onda, seguiva un modello specifico. I dati indicavano un valore per l'esponente dinamico, un numero che descrive come tempo e spazio scalano insieme nel sistema, di circa 1,50. Questo numero è sorprendentemente vicino a un valore noto in un campo completamente diverso della fisica: lo studio delle superfici in crescita e dei processi fuori equilibrio, come il modo in cui un cumulo di sabbia o un cristallo liquido cresce nel tempo. È una coincidenza rara e misteriosa trovare questo numero specifico apparire in un sistema che è perfettamente immobile all'equilibrio, suggerendo una connessione profonda e nascosta tra la fisica della materia quantistica statica e la fisica dei sistemi caotici e in crescita.

Per capire perché ciò accada, i ricercatori si sono rivolti a modelli matematici che descrivono il sistema come un fluido continuo piuttosto che come una catena di singole particelle. Hanno sviluppato equazioni per tracciare il comportamento del sistema quando viene osservato su una grande scala. I loro calcoli hanno mostato che il sistema si assesta in un nuovo tipo di stato stabile, un punto fisso nel panorama matematico, che è diverso dai modelli standard visti in altre transizioni magnetiche. Sebbene le loro previsioni matematiche non corrispondessero perfettamente ai numeri delle simulazioni, la teoria ha confermato che il sistema si comporta in un modo fondamentalmente distinto dalle classi note di comportamento magnetico. La teoria suggerisce che l'unico modo in cui le particelle interagiscono permette loro di sopprimere i normali tremolii quantistici che normalmente distruggerebbero l'ordine, silenziando efficacemente il rumore che impedisce agli spin di allinearsi.

Le scoperte sfidano la convenzionale saggezza secondo cui la rottura della simmetria continua è impossibile nei sistemi in equilibrio monodimensionali. I ricercatori hanno dimostrato che, regolando le interazioni verso un preciso punto critico, il sistema può generare spontaneamente uno stato di ordine perfetto in una direzione dove precedentemente si pensava fosse impossibile. Questa scoperta apre una nuova finestra sul comportamento della materia quantistica, mostrando che i confini di ciò che è possibile nei sistemi a bassa dimensione sono più flessibili di quanto precedentemente creduto. Suggerisce che la natura abbia più trucchi nella manica per organizzare la materia, anche negli ambienti più vincolati. Il lavoro evidenzia anche la potenza di combinare simulazioni al computer su larga scala con l'avanzata teoria matematica per scoprire questi fenomeni nascosti. Osservando gli spin allinearsi nella simulazione e confermandolo con le equazioni, il team ha fornito una prova forte di un nuovo tipo di punto critico quantistico, uno in cui la rottura di una simmetria semplice innesca l'emergere di un ordine continuo complesso. Questa intuizione potrebbe guidare futuri esperimenti nella creazione e nello studio di stati simili in materiali reali, come array di atomi o sistemi magnetici specializzati, portando potenzialmente a una comprensione più profonda di come l'ordine emerga dal caos nel mondo quantistico.