Quench dynamics in nonreciprocal Aubry-André-Harper model

Nel silenzioso mondo dei materiali quantistici, gli scienziati studiano spesso come le particelle si muovano quando sono intrappolate in una griglia che si ripete se stessa in un modello strano e infinito. Questa non è una griglia semplice come una scacchiera, ma una in cui la spaziatura segue una regola che non si ripete mai del tutto, creando un paesio di colline e valli che sembra familiare ma è sempre nuovo. In questi ambienti, le particelle possono comportarsi in tre modi distinti: possono sfrecciare attraverso la griglia alla massima velocità, possono vagare lentamente e casualmente come un ubriaco, oppure possono rimanere bloccate in un punto, incapaci di muoversi. Per decenni, i fisici hanno compreso come questi comportamenti cambino quando la griglia è perfettamente bilanciata. Tuttavia, una versione più recente e complessa di questa scienza riguarda griglie che non sono affatto bilanciate, dove le regole per muoversi in avanti sono diverse dalle regole per muoversi all'indietro. Questo squilibrio, noto come nonreciprocità, crea un mondo in cui le solite leggi del moto sembrano capovolgersi, offrendo uno sguardo su come la natura si comporta quando viene spinta lontano dal suo stato confortevole e stabile.

I ricercatori della Zhejiang Normal University hanno esplorato recentemente questo mondo sbilanciato simulando un tipo specifico di griglia quantistica chiamato modello di Aubry-André-Harper non reciproco. Volevano vedere cosa succede quando si cambiano improvvisamente le regole della griglia mentre una particella è già in movimento attraverso di essa, un processo noto come "quench". Osservando come la natura ondulatoria della particella evolve nel tempo e quanto si diffonde, hanno scoperto un sorprendente ribaltamento delle aspettative. Nella versione bilanciata e familiare di questo sistema, lo stato critico più caotico è solitamente un luogo in cui le particelle si muovono lentamente e in modo diffusivo. Ma nella loro versione non reciproca e sbilanciata, i ricercatori hanno scoperto che questo stesso stato critico diventa un'autostrada per le particelle, permettendo loro di muoversi con la stessa velocità con cui volerebbero attraverso lo spazio vuoto.

Per scoprire questo comportamento, il team ha utilizzato due modi diversi per osservare il viaggio della particella. In primo luogo, hanno esaminato la "memoria" del sistema, tracciando come lo stato quantistico della particella cambi e se torni mai alla sua forma originale. Nei sistemi bilanciati, questo ritorno avviene a intervalli regolari che non dipendono dall'energia della particella. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che nell'universo sbilanciato questo schema di ritorno è altamente sensibile all'energia specifica della particella. Hanno scoperto che le particelle potevano essere classificate in due gruppi distinti in base a una proprietà chiamata parità, che si riferisce alla direzione del loro movimento immaginario. Quando hanno separato questi gruppi, i modelli caotici sono scomparsi, rivelando una struttura chiara e organizzata che rispecchia la simmetria nascosta del sistema. Ciò ha dimostrato che i cambiamenti improvvisi nel comportamento del sistema non sono casuali, ma sono profondamente legati ai livelli energetici specifici delle particelle coinvolte.

La seconda parte della loro indagine si è concentrata su quanto la particella si diffonda nel tempo. Hanno misurato la distanza percorsa dalla particella dal suo punto di partenza e hanno cercato un modello nella crescita di questa distanza. Nel mondo bilanciato, lo stato critico in cui la particella non è né completamente bloccata né completamente libera di solito produce una diffusione lenta e normale, simile a come una goccia d'inchiostro si diffonde nell'acqua. Ma nelle loro simulazioni sbilanciate, i risultati sono stati sorprendentemente diversi. Mentre lo stato completamente esteso del sistema rallentava verso una diffusione normale, lo stato critico accelerava improvvisamente. La particella iniziò a muoversi in linea retta a una velocità costante, coprendo la distanza molto più velocemente di prima. Questo moto balistico, in cui la particella vola liberamente, era l'opposto di quanto osservato nella versione bilanciata del modello.

I ricercatori hanno rintracciato questa strana accelerazione nella forma unica del percorso della particella. Nello stato critico, la particella non si muove in modo fluido; invece, compie salti che si ripetono a diverse scale, creando una struttura frattale e autosimilare. I punti in cui la presenza della particella scende a zero sono disposti secondo un rapporto matematico specifico noto come sezione aurea. Poiché questi punti di zero sono organizzati in questo modo preciso e ripetitivo, il fronte dell'onda della particella avanza a una velocità costante e immutata. Questa marcia costante permette alla particella di mantenere una velocità costante, portando al trasporto rapido e balistico osservato nella fase critica.

Questo lavoro fornisce un nuovo modo per comprendere come i sistemi quantistici si comportano quando sono fuori equilibrio. Combinando lo studio di come cambia la memoria del sistema con lo studio di quanto viaggiano le particelle, i ricercatori hanno mappato un paesaggio in cui le solite regole del moto sono invertite. Hanno scoperto che la stessa caratteristica che di solito rallenta le particelle in un mondo bilanciato — lo stato critico e frattale — diventa il motore del loro movimento più veloce in uno sbilanciato. Queste scoperte suggeriscono che la nonreciprocità, o la mancanza di equilibrio nelle regole del movimento, può essere utilizzata per controllare come l'energia e l'informazione fluiscono attraverso i materiali quantistici. Lo studio offre un quadro chiaro e unificato di queste dinamiche, mostrando che la strana natura frattale dello stato critico è la chiave per sbloccare questa velocità anomala. Gli autori sperano che queste intuizioni teoriche saranno presto testate in esperimenti nel mondo reale utilizzando atomi freddi o onde luminose, portando questi comportamenti controintuitivi dal regno della simulazione al mondo fisico.