Un recente studio pubblicato su Physical Review Letters rivela che i sistemi quantistici con interazioni a lungo raggio mostrano comportamenti diversi sotto varie condizioni termodinamiche. In particolare, questi sistemi mostrano proprietà distinte quando sono posti in un bagno termico (ensemble canonico) rispetto a quando la loro energia è fissata (ensemble microcanonico), un fenomeno noto come "inequivalenza d’insieme".
Tradizionalmente, i sistemi con interazioni a corto raggio si comportano in modo identico sotto entrambe le condizioni, a condizione che la temperatura e l'energia siano correlate in modo appropriato. I progressi nelle tecniche di laboratorio ora permettono la creazione e lo studio di sistemi con interazioni a lungo raggio, rendendo possibile la verifica sperimentale dell'inequivalenza d’insieme.
“Il meccanismo che regola la formazione dei difetti è stato a lungo riconosciuto come universale, applicabile a una vasta gamma di scale, dai magneti quantistici alle galassie”, spiega Nicolò Defenu, ex dottorando della SISSA. “Tuttavia, questa comprensione tradizionale viene messa in discussione dall'inclusione delle interazioni a lungo raggio. Attraverso la determinazione analitica delle statistiche di conteggio complete in sistemi con tali interazioni, riveliamo che l'universalità persiste ma è indissolubilmente legata alla natura quantistica del sistema. Questo profondo insight apre nuove opportunità per la validazione sperimentale su piattaforme come i gas di Rydberg e gli ioni intrappolati”.
La ricerca, condotta da Stefano Ruffo della SISSA, Nicolò Defenu dell'ETH di Zurigo e David Mukamel del Weizmann Institute of Science, include un modello teorico che prevede il comportamento degli atomi che interagiscono con la luce all'interno di una cavità a basse temperature. Questo modello indica che l'inequivalenza d’insieme è probabile che si manifesti durante le transizioni di fase di primo ordine, caratterizzate da cambiamenti improvvisi nelle proprietà del sistema.
Questa scoperta migliora la comprensione dei sistemi quantistici e suggerisce nuove direzioni per la ricerca sperimentale nei campi della fisica atomica, molecolare e ottica.
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