Localizzazione di particelle multiple nei sistemi quantistici messa in discussione

In uno stato di localizzazione multiparticellare, le particelle inizialmente concentrate in una parte del sistema dovrebbero rimanere in questa per tutto il tempo. Un nuovo lavoro teorico suggerisce invece che ciò non sia vero e che le particelle si thermalizzino su scale temporali molto lunghe. Il team di progetto (da sopra verso il basso): Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan e Prof. Dr. Michael Fleischhauer – tutti TU Kaiserslautern – e Prof. Dr. Jeskao Sirker, Università di Manitoba. (Foto: TU Kaiserslautern)

Un team di fisici teorici della TU Kaiserslautern e dell'Università del Manitoba in Canada ha mostrato attraverso complesse simulazioni numeriche sul supercomputer "Elwetritsch": le particelle quantistiche in una fase esotica di non equilibrio, nota come localizzazione di molti corpi, non sono stabili e si thermalizzano su scale temporali lunghe – contrariamente alle teorie originarie. I risultati della collaborazione di ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista specializzata Physical Review Letters e descritti in un articolo di sintesi sulla rivista Physics.

Il mondo delle particelle quantistiche, che si trova a livello subatomico, segue proprie leggi. Per questo motivo, gli stati in cui le particelle si trovano lì sono difficili da descrivere con la fisica classica. Una domanda centrale, ancora aperta e molto discussa: vale anche nel mondo quantistico il fenomeno onnipresente di thermalizzazione che si osserva nel mondo classico? Per thermalizzazione si intende il processo mediante il quale un sottosistema di un sistema chiuso, attraverso scambi di energia e particelle con le altre parti, si evolve in uno stato descritto da pochi parametri, che soddisfa le leggi universali della termodinamica.

Negli anni '50, ad esempio, il premio Nobel Phillip Anderson dimostrò che gli elettroni non interagenti in un materiale disordinato rimangono localizzati, cioè rimangono per sempre in una piccola regione spaziale, invece di diffondersi attraverso l'intero sistema. "Inizialmente si pensava che questo effetto, noto come localizzazione di Anderson, fosse distrutto dalle interazioni, fino a quando fu scoperto uno stato esotico della materia, chiamato localizzazione di molti corpi (many-body localization o MBL). Analogamente alla localizzazione di Anderson, si prevede che in una fase MBL non ci sia diffusione delle particelle", spiega il Prof. Dr. Michael Fleischhauer, che lavora alla TU Kaiserslautern (TUK) nel dipartimento di fisica.

La descrizione teorica della dinamica a lungo termine di tali sistemi quantistici interagenti rappresenta ancora una grande sfida per i ricercatori – fino ad oggi non esiste una comprensione completa della MBL. Ora, un team di fisici teorici della TUK e dell'Università di Winnipeg, composto da Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan, Prof. Jesko Sirker e Prof. Fleischhauer, ha messo in discussione l'immagine finora accettata della MBL. Le simulazioni numeriche condotte dai ricercatori suggeriscono infatti che le particelle di un sistema quantistico con MBL non si localizzano, ma diffondono incessantemente attraverso l'intero sistema.

"Per dimostrarlo, abbiamo calcolato numericamente la cosiddetta entropia del numero di particelle, cioè il contributo all'entropia o, semplificando, l'incertezza del sottosistema, che deriva dalle fluttuazioni nel numero di particelle che si muovono avanti e indietro", spiega il Prof. Fleischhauer. "Se il sistema fosse strettamente localizzato, le fluttuazioni nel numero di particelle e quindi l'entropia del numero di particelle dovrebbero raggiungere molto rapidamente un valore costante e piccolo. Invece, le simulazioni hanno mostrato che l'entropia del numero di particelle cresce incessantemente, anche se molto lentamente, in proporzione a ln(ln(t))." Questi risultati dimostrano che o esiste un meccanismo ancora sconosciuto che porta i sistemi a localizzarsi solo su scale temporali molto più lunghe, oppure la MBL, nel senso stretto del termine, non esiste.

Informazioni aggiuntive sulle pubblicazioni già pubblicate:

M. Kiefer-Emmanouilidis, R. Unanyan, M. Fleischhauer, J. Sirker
Prova di crescita illimitata dell'entropia del numero di particelle in fasi di localizzazione di molti corpi
Phys. Rev. Lett. 124 243601 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.243601

Erika K. Carlson
Gli stati di localizzazione di molti corpi si avvicinano all'equilibrio
Physics 13, s80 (2020)
https://physics.aps.org/articles/v13/s80

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