Quantum motility-induced phase separation

Nel frenetico mondo della fisica, esiste una classe di materiali nota come materia attiva. A differenza di un mucchio di sabbia o di una tazza d'acqua, che rimangono immobili a meno che non vengano spinti dall'esterno, la materia attiva è composta da minuscole particelle che si muovono da sole. Queste particelle, che possono essere batteri, robot sintetici o persino stormi di uccelli, consumano costantemente energia per propellere se stesse in avanti. Quando un numero sufficiente di queste particelle auto-propulse si raduna, non si muovono semplicemente in modo casuale; esse si organizzano. Uno dei modi più sorprendenti in cui si organizzano è attraverso un fenomeno chiamato separazione di fase indotta dalla mobilità. Immaginate una stanza affollata dove tutti cercano di camminare in una direzione specifica. Se la folla diventa troppo densa, le persone rallentano perché si scontrano tra loro. Questo rallentamento causa un ulteriore accumulo di persone dietro di loro, creando un gruppo denso e lento, mentre le aree con meno persone rimangono veloci e vuote. Questo accade anche se le particelle non si attraggono tra loro; il solo atto di muoversi e rimanere bloccati è sufficiente per dividere il sistema in regioni dense e diluite.

Per molto tempo, questo comportamento è stato compreso solo nel mondo classico degli oggetti quotidiani. Tuttavia, recentemente gli scienziati hanno iniziato a chiedersi cosa accada quando queste regole vengono applicate al mondo quantistico, dove le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente e sono collegate da fili invisibili di coerenza. La domanda era se il movimento caotico e l'assorbimento di energia della materia attiva potessero coesistere con la natura delicata e sincronizzata della meccanica quantistica. Il continuo rimescolamento e la dissipazione di energia avrebbero distrutto le connessioni quantistiche, o queste due forze avrebbero potuto lavorare insieme per creare qualcosa di completamente nuovo?

Un team di ricercatori ha ora fornito prove convincenti che la risposta è sì. Costruendo un modello teorico di particelle attive che si comportano secondo le leggi quantistiche, hanno dimostrato che una versione quantistica di questo fenomeno di clustering può effettivamente verificarsi. I ricercatori hanno creato una simulazione di una linea monodimensionale di particelle che agiscono come bosoni a nucleo duro (hard-core bosons), un tipo di particella quantistica che non può occupare lo stesso spazio di un'altra. Queste particelle hanno uno stato interno, come una piccola freccia che punta a sinistra o a destra, che detta la direzione del loro movimento. Esse saltano in avanti nella direzione della loro freccia, ma possono atterrare solo su un punto vuoto. Occasionalmente, un processo quantistico capovolge la loro freccia, cambiando la loro direzione, proprio come un corridore che decide di voltarsi.

Il team ha eseguito queste simulazioni utilizzando un potente metodo computazionale che ha permesso di tracciare il comportamento di fino a mille particelle. Hanno scoperto che quando il ribaltamento quantistico delle frecce avveniva lentamente, le particelle iniziavano ad ammassarsi. Proprio come nella versione classica, le particelle rallentano nelle aree dense, portando a un accumulo di materia. Tuttavia, i risultati hanno rivelato una differenza cruciale. Nella versione più semplice del loro modello, le particelle formavano cluster, ma questi cluster rimanevano di dimensioni finite, senza mai crescere fino a riempire l'intera linea. Questo è noto come separazione di microfase, dove il sistema si organizza in molti piccoli gruppi distinti piuttosto che in una singola massa gigante. I ricercatori hanno osservato che il numero di particelle in una piccola sezione della linea fluttuava selvaggiamente, un segno distintivo di questo comportamento di clustering.

Per vedere se potevano forzare le particelle a separarsi in un singolo dominio massiccio, i ricercatori hanno aggiunto una nuova regola: una forza repulsiva tra vicini. Questa forza rendeva energeticamente sfavorevole per le particelle stare accanto l'una all'altra, a meno che non fossero orientate in un modo specifico che incoraggiava loro di intrappolarsi insieme. Con l'aggiunta di questo elemento, le simulazioni hanno mostrato che i cluster crescevano drammaticamente di dimensioni all'aumentare della dimensione del sistema, suggerendo una vera, genuina separazione di fase in cui le particelle si dividono in una regione densa e una diluita.

Forse la scoperta più sorprendente è stata ciò che accadeva alla natura quantistica delle particelle durante questo clustering caotico. Nella fisica classica, quando le particelle si scontrano e rallentano, le delicate connessioni quantistiche vengono solitamente distrutte dal rumore e dall'attrito. I ricercatori si aspettavano che il continuo saltare e la dissipazione di energia cancellassero la coerenza quantistica. Inveve, hanno scoperto che gli stati stazionari raggruppati mantenevano una forte coerenza quantistica a lunga distanza. Le particelle all'interno dei densi cluster rimanevano collegate in uno stato quantistico sincronizzato, una caratteristica che non ha equivalente nel mondo classico. Il solo atto di raggrupparsi creava un ambiente protetto dove le connessioni quantistiche potevano sopravvivere e persino prosperare.

Lo studio suggerisce che l'interazione tra la spinta di consumo energetico della materia attiva e la natura delicata della coerenza quantistica non porta alla distruzione, ma alla cooperazione. L'attività che spinge le particelle a raggrupparsi aiuta effettivamente a preservare il loro stato quantistico. Questa scoperta stabilisce un nuovo tipo di stato quantistico fuori equilibrio, distinto da qualsiasi cosa vista in precedenza. Sebbene questi risultati derivino da simulazioni al computer, gli ingredienti utilizzati per costruire il modello — dissipazione diretta, rotazione coerente e regole di esclusione rigorose — sono alla portata delle attuali tecnologie sperimentali utilizzando atomi ultrafreddi. Ciò apre la porta a futuri esperimenti per osservare questi cluster quantistici in un vero laboratorio, rivelando potenzialmente una nuova frontiera dove il moto caotico della materia attiva e l'ordine misterioso della meccanica quantistica si combinano per plasmare il futuro dei materiali quantistici.