Exploring Dynamical Quantum Phase Transitions via the Dynamical Phase Accumulated at an Equilibrium Critical Point

Nel mondo quantistico, la materia non si assesta sempre in un unico stato immutabile. Al contrario, può spostarsi bruscamente tra diverse fasi, proprio come l'acqua che gela diventando ghiaccio o bolle diventando vapore. Questi spostamenti, noti come transizioni di fase, avvengono solitamente quando un sistema viene raffreddato o riscaldato molto lentamente, permettendogli di adattarsi gradualmente. Tuttavia, i fisici hanno scoperto un tipo di transizione più drammatica che non avviene nella temperatura, ma nel tempo. Quando un sistema quantistico viene improvvisamente scosso dal suo equilibrio a causa di un rapido cambiamento nel suo ambiente, può subire una transizione di fase dinamica. Questo evento è caratterizzato da un cambiamento improvviso e netto nel modo in cui il sistema evolve, rivelando una struttura nascosta nel suo moto che è invisibile quando le cose sono calme. Per anni, gli scienziati hanno studiato queste transizioni osservando come un sistema reagisce a una singola, brusca spinta. Ma un nuovo studio suggerisce che la storia è molto più complessa se si mette in pausa l'azione esattamente nel momento dell'instabilità.

I ricercatori hanno ora esplorato cosa accade quando un sistema quantistico non viene solo spinto, ma messo in pausa nel punto critico in cui è più instabile. Utilizzando un modello teorico di una catena di atomi magnetici, il team ha simulato un processo in cui il sistema viene spinto verso un punto di svolta, trattenuto lì per una durata specifica e poi allontanato. Questo periodo di attesa permette al sistema di accumulare uno spostamento sottile e invisibile nel suo ritmo interno, noto come fase dinamica. Lo studio, condotto da un team della Southwest Petroleum University, della Sichuan Agricultural University e della Sichuan University, rivela che questa breve pausa riscrive fondamentalmente le regole della transizione. Regolando la durata di questa attesa, i ricercatori hanno scoperto di poter costringere il sistema a esibire una singola, netta transizione o, sorprendentemente, una serie intera di esse.

L'esperimento è iniziato con una catena di atomi che si comportano come piccoli magneti, inizialmente allineati in una direzione. I ricercatori hanno simulato un processo in cui il campo magnetico che agisce su questi atomi veniva cambiato lentamente per spingere il sistema verso un punto critico, un'impostazione specifica in cui gli atomi sono sul punto di invertire il loro allineamento. Invece di passare attraverso questo punto immediatamente, la simulazione ha trattenuto il sistema lì per un tempo finito. Durante questa pausa, gli atomi non sono rimasti fermi; hanno continuato a evolversi, accumulando uno spostamento di fase che dipendeva interamente da quanto tempo il sistema ha aspettato. Quando il campo è stato finalmente cambiato di nuovo per completare la transizione, lo stato finale del sistema portava con sé la memoria di quella pausa. I ricercatori hanno osservato che questo fase accumulata ha agito come una manopola di regolazione, creando un modello di interferenza nel comportamento del sistema.

Nello scenario standard, in cui il sistema viene guidato attraverso il punto critico senza fermarsi, la transizione è caratterizzata da un singolo, dominante modo di instabilità. Questo è un evento diretto in cui il comportamento del sistema cambia bruscamente in un momento specifico nel tempo. Tuttavia, le nuove scoperte mostrano che l'introduzione di un'attesa al punto critico cambia completamente questo quadro. Man mano che il tempo di attesa aumenta, la fase accumulata causa l'oscillazione del sistema. Queste oscillazioni creano molteplici punti in cui il sistema diventa instabile, dividendo efficacementmente la singola transizione in diversi eventi distinti. I ricercatori hanno identificato due regimi distinti: uno in cui il sistema si comporta con un singolo modo critico, e un altro in cui esibisce molteplici modi critici. Il confine tra questi due stati è determinato dalla precisa lunghezza dell'attesa e dalla velocità della spinta iniziale.

Lo studio fornisce una mappa dettagliata di come questi regimi interagiscono. Quando il sistema viene spinto molto velocemente, la transizione da un singolo modo a molteplici modi avviene in un tempo di attesa specifico e fisso. Quando la spinta è lenta, il tempo di attesa richiesto cresce in modo prevedibile, seguendo una legge di scala che mette in relazione la durata dell'attesa con la velocità della spinta. Fondamentalmente, i ricercatori hanno scoperto che, al confine esatto dove il sistema passa dall'avere un singolo modo critico a molti, la natura stessa della transizione cambia. Nel regime a singolo modo, la curva di risposta del sistema presenta un angolo netto e lineare, simile al punto in cui una strada compie una svolta improvvisa. Ma al confine, questo angolo si smussa in una forma diversa, una in cui la pendenza diventa infinitamente ripida. Questo spostamento matematico significa che la reazione del sistema diventa molto più sensibile ed estrema in quel momento specifico.

Per garantire che questi risultati non fossero unici per il loro specifico modello, il team ha ripetuto l'analisi utilizzando un altro tipo di sistema quantistico noto come modello Su-Schrieffer-Heeger esteso, che descrive elettroni che si muovono attraverso una catena di atomi con spaziatura variabile. I risultati sono stati identici: il tempo di attesa al punto critico controllava il numero di transizioni, e il confine tra il singolo e i molteplici modi esibiva lo stesso cambiamento di comportamento. Questa coerenza suggerisce che il fenomeno è una caratteristica fondamentale dei sistemi quantistici guidati attraverso punti critici, piuttosto che un artefatto di una specifica configurazione. I ricercatori hanno anche notato che, se il sistema fosse stato trattenuto in un punto lontano dall'instabilità critica, l'effetto sarebbe stato molto più debole o sarebbe scomparso del tutto, confermando che il punto critico stesso è essenziale per questo accumulo di fase.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice comprensione di una specifica catena di atomi. Dimostrando che una semplice pausa può ristrutturare la natura stessa di una transizione di fase, lo studio offre un nuovo modo per controllare i sistemi quantistici. Suggerisce che, calibrando attentamente quanto tempo un sistema attende in un momento critico, gli scienziati potrebbero potenzialmente progettare sistemi per avere molteplici, distinti punti di transizione o per sopprimerli del tutto. La ricerca chiarisce anche la relazione tra la velocità di un cambiamento e il comportamento risultante, colmando il divario tra spostamenti improvvisi e scoscesi e quelli lenti e graduali. Sebbene le scoperte siano attualmente basate su simulazioni teoriche, esse forniscono una chiara tabella di marcia per esperimenti futuri. Man mano che i simulatori quantistici che utilizzano ioni intrappolati e circuiti superconduttori diventeranno più avanzati, saranno in grado di testare direttamente queste previsioni, aprendo potenzialmente la porta a nuovi modi di manipolare il mondo quantistico attraverso il semplice atto di aspettare.