Resonant pair production and flat band melting in a driven Rydberg chain

Nel mondo quantistico, gli atomi possono essere indotti a comportarsi in modi che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Uno stato particolarmente affascinante prevede l'eccitazione degli atomi a un livello di alta energia noto come stato di Rydberg. Quando un atomo raggiunge questo stato, si gonfia drammaticamente, diventando così grande da respingere fortemente i suoi vicini. Questo fenomeno, chiamato blocco di Rydberg, agisce come una rigida regola sociale: se un atomo viene eccitato, il suo vicino immediato non può esserlo. Per decenni, i fisici hanno usato questa regola per costruire modelli semplificati di materia quantistica, immaginando una catena di atomi dove le eccitazioni non possono mai trovarsi l'una accanto all'altra. Questi modelli sono stati incredibilmente utili per prevedere come si comportano i sistemi quantistici, specialmente quando vengono scossi da impulsi ritmici di luce.

Tuttavia, gli esperimenti nel mondo reale sono raramente perfetti come i modelli semplificati. Nella realtà, la forza repulsiva tra gli atomi, pur essendo forte, non è infinita. Esiste sempre una minima possibilità che la rigida regola del blocco possa essere infranta, permettendo a due vicini di essere eccitati contemporaneamente. Un nuovo studio di Tista Banerjee e K. Sengupta investiga cosa accade quando questa piccola imperfezione viene introdotta in un sistema che è guidato da un ritmo complesso di luce a due toni. Volevano sapere se i bellissimi e prevedibili schemi predetti dai modelli perfetti sopravvivrebbero quando agli atomi è permesso occasionalmente infrangere le regole. Il loro lavoro rivela che la risposta dipende interamente da come gli atomi sono disposti all'inizio, portando a comportamenti sorprendenti e stabili precedentemente nascosti.

I ricercatori si sono concentrati su una catena unidimensionale di atomi, una configurazione che può essere realizzata in moderni simulatori quantistici utilizzando laser. Nel loro scenario idealizzato, gli atomi sono guidati da due diverse frequenze di luce che lavorano insieme per creare una condizione speciale nota come banda piatta di Floquet. In questo stato, il sistema è così stabile che, se si parte con una specifica disposizione di atomi, esso ritorna esattamente alla stessa disposizione dopo ogni impulso di luce, congelandosi essenzialmente nel tempo. Questa è una proprietà rara e preziosa per il controllo quantistico, poiché impedisce al sistema di riscaldarsi e perdere le sue informazioni. Ma il team si è posto una domanda critica: cosa succede quando il blocco è forte ma finito, invece che infinito? Hanno utilizzato strumenti matematici avanzati per simulare il sistema e hanno poi verificato le loro scoperte con calcoli computazionali precisi su catene fino a sedici atomi.

La loro analisi ha scoperto due modi distinti in cui questa perfetta stabilità può sciogliersi. Il primo meccanismo è una risonanza diretta, simile a spingere un'altalena nel momento giusto per farla andare più in alto. Quando l'energia necessaria per creare una coppia di atomi vicini eccitati corrisponde a un multiplo specifico della frequenza della luce di guida, il sistema permette improvvisamente la formazione di queste coppie proibite. Questo rompe il ritmo perfetto, facendo sì che il sistema perda la memoria del suo stato iniziale. I ricercatori hanno scoperto che questo accade a frequenze molto specifiche, agendo come un interruttore che spegne la stabilità. Interessante notare che se la catena parte senza alcun atomo eccitato, essa è straordinariamente immune a questo primo tipo di scioglimento. Il sistema rimane congelato e stabile per un tempo incredibilmente lungo, resistendo alla formazione di queste coppie proibite.

Il secondo meccanismo è più sottile e coinvolge processi virtuali. Anche quando le frequenze di guida non sono perfettamente accoppiate per creare una risonanza, il sistema può brevemente prendere in prestito energia per visitare uno stato proibito prima di tornare alla sua configurazione originale. Sebbene queste visite siano fugaci, esse si accumulano nel tempo per erodere lentamente la stabilità del sistema. I ricercatori hanno scoperto che questo effetto dipende fortemente dalla disposizione iniziale degli atomi. Se gli atomi partono con un modello in cui le eccitazioni sono distanziate da due spazi vuoti, il sistema rimane stabile contro queste visite virtuali. Tuttavia, se gli atomi partono con un modello in cui le eccitazioni sono distanziate da tre spazi, il sistema inizia a sciogliersi anche lontano dalle frequenze di risonanza diretta. Ciò significa che per certi schemi iniziali, la perfetta stabilità della banda piatta è molto più fragile di quanto precedentemente ipotizzato.

Forse la scoperta più sorprendente è un nuovo tipo di comportamento a lunga durata che appare nel mezzo di questi processi di scioglimento. Quando gli atomi partono con il modello con eccitazioni distanziate di due spazi, e la luce è sintonizzata su una frequenza specifica, il sistema non si limita a congelarsi o a sciogliersi. Invece, entra in uno stato di oscillazione coerente, spostandosi ritmicamente tra la sua disposizione originale e una versione di se stesso traslata di una posizione. Questo accade perché il sistema può accedere a un corridoio stretto di stati che coinvolgono coppie proibite, permettendo alle eccitazioni di saltare lungo la catena in un modo altamente organizzato. Questo comportamento è distinto da altri fenomeni quantistici noti e suggerisce che il sistema stia trovando un percorso nascosto e stabile attraverso il caos.

Lo studio ha anche identificato un insieme di stati speciali, noti come cicatrici quantistiche (quantum scars), che appaiono quando gli atomi partono con il modello con eccitazioni distanziate di tre spazi. A un rapporto specifico tra forza di interazione e frequenza della luce, il sistema rimane intrappolato in un piccolo sottospazio di possibilità. Invece di esplorare tutti i modi in cui gli atomi potrebbero disporsi, il sistema rimane bloccato in uno stato che appare quasi identico al suo punto di partenza. Questi stati sono speciali perché hanno un basso entanglement, una misura di quanto siano complicati i collegamenti quantistici tra gli atomi. Mentre la maggior parte dei sistemi quantistici ad alta energia diventa altamente entangled e caotica, questi stati cicatrizzati rimangono semplici e ordinati, sfidando l'aspettativa comune che i sistemi complessi debbano inevitabilmente diventare disordinati.

I ricercatori hanno confermato queste scoperte attraverso rigorose simulazioni numeriche, mostrando che le previsioni teoriche corrispondono al comportamento del sistema su un computer. Hanno dimostrato che la stabilità del sistema non è una proprietà universale ma è profondamente legata alle condizioni iniziali e alla specifica forza delle interazioni tra gli atomi. Per il modello senza eccitazioni iniziali, il sistema è eccezionalmente robusto. Per il modello con eccitazioni ogni terzo sito, il sistema esibisce queste uniche cicatrici a lunga durata. Per il modello con eccitazioni ogni secondo sito, il sistema può entrare in uno stato di moto ritmico persistente.

Questo lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per gli sperimentatori che lavorano con i simulatori quantistici di atomi di Rydberg. Misurando quanto spesso gli atomi vicini vengono eccitati insieme, i ricercatori possono osservare direttamente lo scioglimento di queste bande piatte e l'emergere di questi stati speciali. Lo studio suggerisce che, scegliendo attentamente la disposizione iniziale degli atomi e la frequenza della luce di guida, è possibile sia proteggere il sistema dal riscaldamento, sia sfruttare queste oscillazioni uniche e queste cicatrici per nuovi tipi di controllo quantistico. Le scoperte evidenziano come, anche in un sistema governato da rigide regole quantistiche, le minime imperfezioni possano portare a una ricca varietà di comportamenti, dalla perfetta stabilità al moto ritmico complesso, a seconda di come inizia la storia.