Le transizioni di fase, come il passaggio dall’acqua allo stato solido, sono parte integrante del nostro mondo. Ma nei sistemi quantistici possono essere ancora più spettacolari, con proprietà quantistiche come l’incertezza di Heisenberg che giocano un ruolo importante. Inoltre, vari effetti parassiti possono far sì che i sistemi perdano o dissipino energia nell’ambiente. Quando si verificano, queste "transizioni di fase dissipative" (DPT) portano i sistemi quantistici a nuovi stati.
Esistono diversi tipi o "ordini" di DPT. Le TPD del primo ordine sono come l’accensione di un interruttore, che provoca bruschi salti da uno stato all’altro. Le DPT di secondo ordine sono più delicate ma comunque trasformative, in quanto cambiano una delle caratteristiche globali del sistema, chiamata simmetria, in modo sottile ma profondo.
I TPD sono essenziali per comprendere il comportamento dei sistemi quantistici in condizioni di non-equilibrio, dove le argomentazioni basate sulla termodinamica spesso non forniscono risposte. Al di là della semplice curiosità, questo ha implicazioni pratiche per la progettazione di computer e sensori quantistici più robusti. Ad esempio, le TPD del secondo ordine potrebbero migliorare la memorizzazione delle informazioni quantistiche, mentre le TPD del primo ordine rivelano meccanismi importanti per la stabilità e il controllo del sistema.
In teoria, le TPD presentano proprietà specifiche, come il rallentamento e la bistabilità, che si verificano con specifiche scale di legge di potenza. Finora, la loro osservazione ha rappresentato un grosso ostacolo scientifico, soprattutto per i TPD del secondo ordine.
Ma oggi un gruppo di ricercatori ha fatto proprio questo. Guidati da Pasquale Scarlino dell’EPFL, hanno sviluppato un risonatore di Kerr superconduttore, cioè un dispositivo con proprietà quantistiche controllabili. Lo hanno progettato per essere sottoposto a un pilotaggio a due fotoni, che invia coppie di fotoni nel sistema per controllare attentamente il suo stato quantico e studiare come passa tra fasi diverse.
Variando sistematicamente parametri come il detuning e l’ampiezza di trascinamento, hanno potuto studiare le transizioni del sistema da uno stato quantico all’altro. Questo approccio ha permesso di osservare la TPD del primo e del secondo ordine.
Per garantire la precisione, gli esperimenti sono stati condotti a temperature prossime allo zero assoluto, riducendo così al minimo il rumore di fondo. Il risonatore di Kerr ha svolto un ruolo importante perché è in grado di amplificare effetti quantistici spesso troppo sottili per essere osservati. Poiché è in grado di rispondere ai segnali a due fotoni con estrema sensibilità, i ricercatori hanno potuto utilizzarlo per esplorare le transizioni di fase con una precisione senza precedenti, cosa che le configurazioni tradizionali semplicemente non possono ottenere.
L’installazione ha permesso al team di monitorare il comportamento dei fotoni emessi dal risonatore utilizzando rivelatori ultrasensibili. Utilizzando tecniche matematiche avanzate, come il collegamento con le proprietà spettrali del superoperatore di Liouvilli, uno strumento che modella processi quantistici complessi, gli scienziati sono stati in grado di monitorare e analizzare con precisione le transizioni di fase del sistema.
Per la TPD del secondo ordine, il team ha osservato un fenomeno chiamato "squeezing", in cui le fluttuazioni quantistiche scendono a livelli inferiori al rumore di fondo naturale dello spazio vuoto, segnalando che il sistema ha raggiunto uno stato altamente sensibile e trasformativo. Allo stesso tempo, la TPD del primo ordine ha mostrato distinti cicli di isteresi, in cui il sistema poteva esistere in due stati a seconda della regolazione dei parametri.
In secondo luogo, hanno trovato una chiara evidenza di stati metastabili durante la TPD del primo ordine, in cui il sistema rimane temporaneamente in uno stato stabile prima di passare bruscamente a un altro stato. Questo comportamento, che si traduce in una dipendenza dello stato del sistema dalla sua storia precedente chiamata isteresi, mostra come le TPD del primo ordine coinvolgano fasi concorrenti.
Infine, hanno osservato un "rallentamento critico" in entrambi i tipi di transizioni, riproducendo la scala prevista ottenuta da considerazioni teoriche. Questo dimostra finalmente la validità delle previsioni teoriche basate sulla teoria di Liouville utilizzata dagli autori. In prossimità dei punti critici, la risposta del sistema rallenta notevolmente, evidenziando una caratteristica universale delle transizioni di fase che potrebbe essere sfruttata per misure quantistiche più precise.
La comprensione dei TPD apre nuove possibilità per la progettazione di sistemi quantistici stabili e reattivi. Ciò potrebbe rivoluzionare le tecnologie dell’informazione quantistica, come la correzione degli errori nell’informatica quantistica o lo sviluppo di sensori quantistici ultrasensibili.
Più in generale, questa ricerca evidenzia il potere della collaborazione interdisciplinare, che combina fisica sperimentale, modelli teorici avanzati e ingegneria all’avanguardia per esplorare le frontiere della scienza.
"In effetti, un aspetto molto interessante di questo lavoro è che dimostra anche quanto una stretta collaborazione tra teoria ed esperimento possa portare a risultati di gran lunga superiori a quelli che ciascun gruppo avrebbe potuto ottenere indipendentemente", afferma Guillaume Beaulieu, autore principale dell’articolo.
