In realtà non si dovrebbero confrontare mele e pere. In topologia, invece, una branca della matematica, è proprio così: mele e pere sono considerate topologicamente identiche perché nessuna delle due ha un buco - a differenza, per esempio, dei cerchi di pasta e delle tazze da caffè, che ne hanno entrambi uno (nel caso della tazza, il buco nel manico) e sono quindi topologicamente identici. In modo più astratto, anche i sistemi quantistici in fisica possono avere una certa topologia a mela o a cerchio di pasta, che si manifesta negli stati energetici e nel movimento delle particelle. I ricercatori sono molto interessati a questi sistemi perché la loro topologia li rende robusti contro il disordine e altre influenze di disturbo che sono sempre presenti nei sistemi fisici naturali.
Diventa particolarmente interessante quando le particelle di un tale sistema interagiscono anche tra loro, cioè si attraggono o si respingono, come nel caso degli elettroni nei solidi. Tuttavia, analizzare insieme topologia e interazioni nei solidi è estremamente difficile. I ricercatori guidati da Tilman Esslinger sono ora riusciti a dimostrare gli effetti topologici in un tipo di solido artificiale in cui le interazioni possono essere attivate e disattivate mediante campi magnetici. I risultati, appena pubblicati sulla rivista Science, potrebbero essere utilizzati in futuro nelle tecnologie quantistiche.
Trasporto attraverso la topologia
Zijie Zhu, dottorando nel laboratorio di Esslinger e primo autore dello studio, e i suoi colleghi hanno costruito il solido artificiale a partire da atomi estremamente freddi (atomi fermionici di potassio), che sono stati intrappolati in reticoli spazialmente periodici utilizzando raggi laser. Ulteriori raggi laser hanno fatto sì che la profondità dei siti reticolari vicini diventasse ciclicamente più piccola e più grande in contro-ritmo. Dopo un certo tempo, i ricercatori hanno misurato le posizioni degli atomi nel reticolo, inizialmente senza interazione tra gli atomi. Hanno osservato che, a causa della topologia a ricciolo di pasta degli stati energetici nel potenziale periodico, le particelle venivano trasportate un sito reticolare più avanti nella stessa direzione ogni volta che il ciclo veniva ripetuto.
Ma cosa succede quando la vite incontra un ostacolo? Nell’esperimento dei ricercatori, questo ostacolo era un raggio laser aggiuntivo che limitava la libertà di movimento degli atomi in direzione longitudinale. Dopo un centinaio di giri della vite, gli atomi hanno incontrato un muro, per così dire. Per restare all’immagine, questo muro rappresenta una topologia di mela in cui il pompaggio topologico non funziona più.
Sorprendente inversione
Sorprendentemente, però, gli atomi non si sono semplicemente fermati al muro, ma hanno improvvisamente invertito la rotta. La vite si muoveva ora all’indietro, anche se continuava a girare in senso orario. Esslinger e il suo team spiegano questa inversione con il fatto che nel reticolo esistono due topologie di riccioli di pasta: una con un ricciolo di pasta che ruota in senso orario e una con il senso di rotazione opposto. Sulla parete, gli atomi possono passare da una topologia all’altra e quindi invertire la loro direzione di movimento.I ricercatori hanno quindi attivato un’interazione repulsiva tra gli atomi e hanno osservato cosa succedeva. Anche in questo caso hanno avuto una sorpresa: gli atomi sono tornati indietro di fronte a una barriera invisibile ancora prima di aver raggiunto la parete del laser. "Utilizzando dei modelli di calcolo, siamo riusciti a dimostrare che questa barriera invisibile è stata creata dagli atomi stessi attraverso la repulsione tra di loro", spiega la dottoranda Anne-Sophie Walter.
