Many-Body Correlations in Phase-Space Microscopes

Nel mondo quantistico, le regole dell'osservazione sono fondamentalmente diverse dalla nostra esperienza quotidiana. Per comprendere una collezione di atomi, gli scienziati spesso osservano dove si trovano o quanto velocemente si muovono, ma raramente entrambe le cose contemporaneamente. Ciò è dovuto a un limite fondamentale della natura: più precisamente si determina la posizione di un atomo, meno si può conoscere la sua velocità, e viceversa. Per decenni, questa limitazione ha significato che anche se avessimo scattato un'istantanea perfetta di dove ogni atomo in una nuvola fosse posizionato, e un'altra istantanea perfetta di quanto velocemente stessero tutti volando, non avremmo potuto comunque ricostruire completamente lo stato quantistico del sistema. Esiste uno strato nascosto di informazione, una specifica relazione tra posizione e velocità, che rimane invisibile se si misurano separatamente. Questo pezzo mancante è stato un enigma di lunga data nella fisica, risalente a una famosa domanda posta dal fisico Wolfgang Pauli su se la posizione e il momento fossero sufficienti a definire uno stato quantistico. La risposta, si scopre, è no.

Un team di ricercatori ha ora proposto e analizzato un nuovo strumento sperimentale chiamato "microscopio dello spazio delle fasi" che risolve questo problema. Invece di scattare foto separate di posizione e velocità, questo dispositivo cattura un'unica istantanea simultanea di entrambe per ogni particella in una nuvola di atomi ultrafreddi. Codificando la velocità di ogni atomo in una dimensione ausiliaria separata pur mantenendo visibile la sua posizione, il microscopio crea una mappa dettagliata dello stato quantistico che contiene informazioni strettamente superiori rispetto a qualsiasi metodo precedente. I ricercatori dimostrano che con questa nuova visione possono ricostruire lo stato quantistico completo del sistema, rivelando connessioni e strutture nascoste che prima erano impossibili da vedere. Questa non è solo un'idea teorica; l'articolo dimostra come questo strumento possa essere utilizzato per risolvere problemi reali nel comprendere come la materia si comporta quando gli atomi sono densamente impacchettati e interagiscono fortemente, offrendo un quadro completo del mondo quantistico che era precedentemente fuori portata.

Il potere di questo nuovo microscopio risiede nella sua capacità di vedere correlazioni che sono nascoste alle telecamere standard. In un tipico esperimento, gli scienziati potrebbero osservare una nuvola di atomi e vedere che sono distribuiti uniformemente, o che si muovono secondo un certo schema. Se osservano la posizione e la velocità separatamente, gli atomi potrebbero apparire disconnessi, come se fossero solo una collezione casuale di particelle indipendenti. Tuttavia, il microscopio dello spazio delle fasi rivela che questi atomi sono in realtà profondamente legati. I ricercatori hanno dimostrato che questo dispositivo può rilevare l'"entanglement", una strana connessione quantistica in cui lo stato di una particella è istantaneamente legato allo stato di un'altra, anche se si trovano lontane tra loro. In alcuni casi, gli atomi sembrano completamente non entangled se visti attraverso la lente della sola posizione o della sola velocità, ma l'istantanea dello spazio delle fasi mostra un legame chiaro e inseparabile tra di essi. Ciò consente agli scienziati di certificare l'esistenza di correlazioni quantistiche in sistemi dove si pensava precedentemente fossero assenti, aprendo una nuova finestra sull'architettura nascosta della materia.

Questa capacità è particolarmente utile per studiare come gli atomi si accoppiano per formare superfluidi e superconduttori, stati della materia in cui le particelle si muovono senza attrito. In questi sistemi, gli atomi spesso formano coppie che agiscono come un'unica unità. I ricercatori hanno mostrato che il microscopio dello spazio delle fasi può visualizzare la struttura interna di queste coppie, incluso il loro moto relativo e il modo specifico in cui ruotano l'una attorno all'altra. In passato, gli scienziati potevano vedere solo la dimensione della coppia o la velocità della coppia, ma non la fase della loro funzione d'onda, un dettaglio cruciale che determina il tipo di superconduttività. Con il nuovo microscopio, possono ricostruire la forma completa dell'onda della coppia, inclusa la sua fase, permettendo loro di distinguere tra diversi tipi di accoppiamento, come quelli che ruotano in senso orario rispetto a quelli in senso antiorario. Questo è un salto in avanti significativo, poiché permette l'osservazione diretta della "chiralità", o manualità, di questi stati quantistici, che è una caratteristica chiave in materiali esotici come i superconduttori chirali.

Lo strumento eccelle anche nell'osservare sistemi disordinati e non uniformi dove l'ordine non è uniforme in tutto il campione. In molti scenari del mondo reale, come nella fase di "pseudogap" degli superconduttori ad alta temperatura, gli atomi possono formare coppie localmente senza stabilire un ordine globale. Le misurazioni standard spesso sfocano questi dettagli locali, facendo apparire come se non ci fosse alcuna struttura. Il microscopio dello spazio delle fasi, tuttavia, può ingrandire piccole regioni per trovare "pozze" di ordine superfluido o coppie pre-formate che esistono prima che il sistema diventi un superconduttore completo. Può mappare dove si trovano queste regioni ordinate e come si connettono, fornendo una visione locale dello stato quantistico che le misurazioni globali perdono. Ciò è essenziale per comprendere fasi complesse della materia in cui le regole cambiano da un punto all'altro, come nei materiali disordinati o nei sistemi con forze in competizione.

Oltre a vedere la struttura, i ricercatori hanno dimostrato che questo metodo può misurare l'energia di interazione tra le particelle con alta precisionità. In presenza di un campo magnetico, gli atomi occupano livelli energetici specifici, e il modo in cui interagiscono può spingerli verso livelli più alti. Misurando la popolazione di questi livelli utilizzando le correlazioni dello spazio delle fasi, il team ha dimostrato di poter estrarre direttamente l'energia di interazione da una singola misurazione. Ciò fornisce un nuovo modo per testare le teorie su come le particelle interagiscono, incluso il famoso parametro di "contatto" che descrive quanto fortemente le particelle collidono a distanze molto brevi. Inoltre, il metodo consente la misurazione delle proprietà topologiche, che sono caratteristiche globali dello stato quantistico che rimangono invariate anche se il sistema viene deformato. I ricercatori hanno dimostrato di poter calcolare un "marcatore di Chern", un numero che descrive la topologia del sistema, direttamente dai dati dello spazio delle fasi, offrendo un modo robusto per identificare questi stati esotici senza necessitare di complessi esperimenti globali.

L'articolo esplora anche una tecnica complementare in cui i ricercatori possono imprimere fasi specifiche sugli atomi usando la luce prima di scattare l'istantanea. Manipolando il piano di Fourier dell'onda materiale, possono cambiare la fase degli atomi in modo controllato e poi osservare come cambiano i modelli di densità. Ciò consente di distinguere tra diversi tipi di stati superconduttori, come quelli con diversi momenti angolari, osservando come cambiano i modelli di interferenza. Questa tecnica, combinata con il microscopio dello spazio delle fasi, offre un modo pratico per mappare la struttura di fase completa di una funzione d'onda senza dover eseguire difficili inversioni matematiche. Trasforma il microscopio in uno strumento versatile che può non solo osservare lo stato quantistico, ma anche sondarne attivamente le proprietà interagendo con esso in modi specifici.

In definitiva, questo lavoro stabilisce il microscopio dello spazio delle fasi come uno strumento completo e versatile per esplorare le caratteristiche fondamentali delle fasi quantistiche many-body. Esso va oltre i limiti delle misurazioni separate di posizione e momento, fornendo una visione unificata che cattura tutta la ricchezza dello stato quantistico. Che si tratti di rivelare l'entanglement nascosto, visualizzare la struttura interna delle coppie, mappare l'ordine locale nei sistemi disordinati o misurare le energie di interazione, il microscopio offre un livello di dettaglio che era precedentemente impossibile. I ricercatori hanno dimostrato che, risolvendo congiuntamente posizione e momento, si può accedere a un insieme di informazioni strettamente più ricco, permettendo la tomografia e la certificazione della materia fortemente correlata. Ciò apre la porta a una comprensione più profonda del mondo quantistico, dove il tutto è veramente maggiore della somma delle sue parti, e dove le connessioni nascoste tra le particelle possono finalmente essere viste nella loro interezza.