Rotation Breaks Kibble-Zurek Universality

Quando una sostanza cambia stato di materia, come l'acqua che gela diventando ghiaccio, non sempre accade in modo perfetto ovunque e contemporaneamente. Al contrario, il cambiamento spesso inizia in piccole sacche che crescono e infine si fondono. Se questa transizione avviene rapidamente, le diverse sacche possono non concordare su come disporsi, lasciando dietro di sé cicatrici o difetti permanenti dove si scontrano. Nel mondo quantistico, dove le particelle si comportano come onde, questi difetti possono apparire come minuscoli vortici chiamati vortici. Per decenni, i fisici si sono affidati a un insieme di regole noto come meccanismo di Kibble-Zurek per prevedere quanti di questi vortici si formeranno. Questo quadro suggerisce che la velocità del cambiamento determina il numero di difetti: un cambiamento più veloce lascia più cicatrici, mentre uno più lento permette al sistema di assestarsi più pacificamente. Questa idea è stata testata e confermata in molti sistemi diversi, dai superfluidi ai primi modelli dell'universo, rendendola una pietra angolare della nostra comprensione di come l'ordine emerga dal caos.

Tuttavia, un nuovo studio suggerisce che questa regola consolidata abbia un significativo punto cieco. I ricercatori hanno scoperto che, se il contenitore che ospita il fluido quantistico è in rotazione, le regole del gioco cambiano completamente. Simulando la formazione di un condensato di Bose-Einstein — uno stato raro della materia in cui gli atomi agiscono come un'unica onda quantistica — all'interno di una trappola rotante, il team ha scoperto che la rotazione del contenitore sovrasta le previsioni consuete. Invece di dipendere dalla velocità con cui è avvenuta la transizione, la rotazione costringe il fluido a creare un numero specifico di vortici che corrisponde alla velocità della rotazione, indipendentemente dal tasso di raffreddamento. Questa scoperta sfida l'universalità del meccanismo di Kibble-Zurek e rivela che una semplice torsione della trappola può agire come un controllo maestro per il comportamento di questi sistemi quantistici.

I ricercatori, lavorando con simulazioni al computer di una nuvola bidimensionale di atomi, si sono posti l'obiettivo di osservare cosa accade quando questo gas quantistico viene raffreddato per formare un condensato mentre il contenitore è già in rotazione. Nel loro primo scenario, hanno mantenuto costante la velocità di rotazione mentre cambiavano rapidamente le condizioni per innescare la transizione di fase. Hanno osservato che il movimento di rotazione creava un forte pregiudizio, favorendo la formazione di vortici che ruotavano nella stessa direzione del contenitore e sopprimendo quelli che ruotavano nella direzione opposta. Di conseguenza, il numero totale di vortici formati non era determinato dalla velocità del processo di raffreddamento, come prevede la teoria standard. Invece, il conteggio si assestava vicino a un valore dettato dalla velocità di rotazione stessa, una relazione nota come limite di Feynman-Onsager. Più velocemente la trappola ruotava, più vortici apparivano, e la consueta connessione tra la velocità di raffreddamento e il numero di difetti scompariva. Il sistema sembrava ignorare il tempo di "congelamento" (freeze-out) che tipicamente governa queste transizioni, essendo invece guidato dal momento angolare della trappola.

Per testare se si trattasse di una rottura fondamentale della teoria o di un effetto specifico della configurazione, il team ha tentato un secondo approccio. In questa versione, partivano da una trappola non rotante e aumentavano lentamente la rotazione esattamente nello stesso momento in cui raffreddavano il gas. Questa rampa simultanea di rotazione e raffreddamento cambiava significativamente il risultato. Quando la rotazione veniva aumentata lentamente insieme al raffreddamento, il sistema si comportava molto più come previsto dalla teoria standard: il numero di vortici seguiva il pattern atteso basato sulla velocità di raffreddamento e le leggi di scala universali rimanevano valide, almeno per velocità di rotazione inferiori. Questo confronto ha dimostrato che il fattore chiave non era solo la presenza della rotazione, ma il tempismo con cui la rotazione veniva percepita dal sistema. Se gli atomi sperimentavano una forte rotazione proprio nel momento in cui la transizione iniziava, le regole standard crollavano. Se la rotazione veniva introdotta gradualmente, gli atomi avevano il tempo di adattarsi e le leggi universali rimanevano intatte.

Lo studio ha anche esaminato cosa accadeva a questi vortici una volta completata la transizione. Nelle simulazioni, i vortici non si disponevano nella griglia perfetta, simile a un nido d'ape, che i fisici chiamano reticolo di Abrikosov, ovvero lo stato ideale per un superfluido rotante. Invece, si assestavano in una disposizione disordinata, di tipo vetroso. I bordi del contenitore e il numero specifico di vortici creati generavano una sorta di frustrazione, impedendo loro di trovare un ordine perfetto. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che, se aggiungevano una leggera forza di ancoraggio esterna — come un sottile schema di luce per tenere in posizione gli atomi — i vortici disordinati potevano essere indotti a formare quel reticolo perfetto e ordinato. Ciò suggerisce che, sebbene il processo naturale di raffreddamento in una trappola rotante conduca al disordine, un piccolo aiuto supplementare può ripristinare la struttura ideale, anche a basse velocità di rotazione.

Queste scoperte offrono un nuovo modo di pensare al controllo della materia quantistica. Lo studio dimostra che la rotazione non è solo una condizione di sfondo passiva, ma uno strumento attivo che può essere utilizzato per guidare l'esito di una transizione di fase. Regolando la velocità di rotazione, gli scienziati possono scegliere se seguire le leggi universali della formazione di difetti o forzare il sistema in uno stato specifico dettato dal momento angolare. Questa intuizione approfondisce la comprensità della rottura di simmetria nel mondo quantistico e fornisce un "pomello" pratico per manipolare la dinamica critica dei condensati di Bose-Einstein. I risultati, derivati da dettagliate simulazioni al computer utilizzando l'equazione di Gross-Pitaevskii stocastica, evidenziano come l'interazione tra le fluttuazioni casuali di un sistema in raffreddamento e la richiesta macroscopica della rotazione crei una complessa danza di ordine e disordine, che le vecchie regole non potevano prevedere appieno.