Coexistence of long- and quasi-long range spatial order in 1D quantum quasicrystals

Immaginate un mondo in cui le cose sono perfettamente organizzate, ma non secondo uno schema ripetitivo come una parete di mattoni o un pavimento piastrellato. Al contrario, seguono un ritmo complesso e non ripetitivo, come un pezzo di musica che non torna mai esattamente al punto di partenza, ma che risulta comunque armonioso. Questo è il regno dei quasicristalli. Nella fisica dell'infinitamente piccolo, gli scienziati studiano come gli atomi si dispongono tra loro. Di solito, gli atomi fluiscono liberamente come un liquido oppure si incastrano in una griglia rigida e ripetitiva come un solido cristallino. I quasicristalli sono il figlio ribelle e affascinante: possiedono un ordine a lungo raggio rigoroso, ma non si ripetono mai.

Per capire come si comportano queste strutture, i fisici studiano i "modi di Goldstone". Pensateli come i modi naturali in cui un sistema può oscillare o incresparsi senza consumare energia. In un normale cristallo, se si spingono gli atomi, questi rimbalzano in un modo specifico (come un'onda sonora). In un quasicristallo, esiste un tipo extra di oscillazione chiamato "fasone", che è come uno scivolamento continuo o un riarrangiamento del pattern stesso. Di solito, se si tenta di bloccare un quasicristallo con una forza esterna, ci si aspetta che tutte queste oscillazioni si fermino o diventino "gapped" (ovvero che richiedano energia per avvenire). Ma cosa succederebbe se potessimo bloccare un tipo di oscillazione lasciando però l'altro libero di muoversi? Questo è il quesito che questo articolo affronta, esplorando un nuovo e strano stato della materia dove ordine e caos coesistono in una singola linea monodimensionale.

La Festa Quasi-Quasi in Una Dimensione

In questo studio, i ricercatori hanno allestito un esperimento digitale per vedere cosa accade quando si intrappola una linea di atomi ultra-freddi all'interno di una speciale sorta di "gabbia di luce" (una cavità ottica). Immaginate questi atomi come una fila di ballerini su un palco. Di solito, se si proietta una luce su di loro, potrebbero iniziare tutti a ballare allo stesso ritmo, formando una linea perfetta e ripetitiva. Ma qui, gli scienziati hanno utilizzato due diversi "generatori di ritmo".

Un generatore era un'onda stazionaria proveniente dagli specchi della cavità, che creava un battito rigido e ripetitivo che i ballerini dovevano seguire. L'altro era un raggio laser scannerizzato, che aggiungeva un secondo ritmo, leggermente diverso, che non si coordinava perfettamente con il primo. Quando si mescolano due ritmi che non si allineano (incommensurabili), si ottiene un pattern di quasicristallo. I ballerini si dispongono in un ordine bellissimo e non ripetitivo.

La grande domanda era: cosa succede alla capacità di oscillare dei ballerini? In un normale quasicristallo, esistono due tipi di oscillazioni: i fononi (l'intera linea che si sposta avanti e indietro) e i fasoni (il pattern che scivola o si riarrangia). I ricercatori volevano sapere se fossero in grado di "mettere a tacere" un tipo di oscillazione lasciando l'altro libero di danzare.

Il Grande Blocco (Gapping)

Il team ha eseguito simulazioni utilizzando un modello matematico di questi atomi. Hanno scoperto uno scenario unico che accade solo nei quasicristalli. Poiché gli specchi della cavità rompono esplicitamente la simmetria per un ritmo specifico, l'oscillazione associata a quel ritmo rimane bloccata. Essa acquisisce un "gap" energetico, il che significa che non può più muoversi liberamente. I ballerini sono immobilizzati per quella specifica parte del pattern.

Tuttavia, l'altro ritmo, quello proveniente dal laser scannerizzato, rimane libero. L'oscillazione associata a questo secondo ritmo rimane "gapless" (senza gap). Può ancora incresparsi e fluttuare senza richiedere energia extra.

Questo porta a un risultato bizzarro e bellissimo: una miscela di due diversi tipi di ordine che esistono contemporaneamente.

1. L'Ordine Immobilizzato: Per la parte del pattern bloccata agli specchi della cavità, gli atomi hanno un ordine a lungo raggio. Sono perfettamente allineati e stabili, come un cristallo rigido, perché il "gap" impedisce loro di oscillare e separarsi.
2. L'Ordine Fluttuante: Per la parte del pattern guidata dal laser scannerizzato, gli atomi hanno un ordine quasi-a lungo raggio. Poiché l'oscillazione "gapless" è ancora attiva, gli atomi fluttuano costantemente. Rimangono correlati su lunghe distanze, ma non sono perfettamente rigidi. È come una folla che fa "la ola": il pattern attraversa lo stadio, ma le singole persone continuano a spostarsi e muoversi.

Perché Questo è Importante

Il documento dimostra che in una dimensione è possibile avere uno stato della materia che è metà cristallo e metà fluido, tutto all'interno della stessa struttura. Gli autori dimostrano che, progettando attentamente l'interazione tra gli atomi e la luce (nello specifico utilizzando un profilo di raggio laser che crea un particolare "involucro" di interazione), è possibile silenziare selettivamente un tipo di modo di Goldstone mantenendo vivo l'altro.

Nelle loro simulazioni, hanno osservato che la densità degli atomi forma un pattern in cui i picchi e le valli associati all'onda della cavità sono bloccati in posizione, mentre i picchi e le valli associati all'onda del laser increspano e si spostano. Le "increspature" nella parte libera del pattern sono abbastanza forti da distruggere il vero ordine a lungo raggio, lasciando solo la versione "quasi". Mentre la parte immobilizzata rimane perfettamente ordinata.

Questa non è solo una curiosità teorica; gli autori suggeriscono che ciò potrebbe essere realizzato in esperimenti reali con atomi bosonici ultra-freddi in cavità ottiche. È un nuovo modo di pensare a come la materia si organizza, provando che non è necessario scegliere tra un cristallo rigido e un fluido instabile. Nel bizzarro mondo dei quasicristalli quantistici monodimensionali, si può avere il meglio di entrambi i mondi: una struttura che è simultaneamente bloccata nel tempo e pronta a danzare nell'istante.