Una nuova teoria per sistemi che sfidano la terza legge di Newton

Lo stormo di uccelli può anche essere visto come una rottura della simmetria: invece di volare in direzioni casuali, si allineano come le rotazioni di un magnete. Ma c’è una differenza importante: una transizione di fase ferromagnetica è facilmente spiegabile usando la meccanica statistica perché è un sistema in equilibrio.

Ma gli uccelli e le cellule, i batteri e le auto nel traffico aggiungono nuova energia al sistema. “Poiché hanno una fonte di energia interna, si comportano in modo diverso”, ha detto Reichhardt. “E poiché non risparmiano energia, appare dal nulla, per quanto riguarda il sistema”.

Oltre il Quantismo

Hanai e Littlewood hanno iniziato la loro indagine sulle transizioni di fase BEC pensando alle normali e ben note transizioni di fase. Considera l’acqua: anche se l’acqua liquida e il vapore sembrano diversi, ha detto Littlewood, non c’è praticamente alcuna distinzione di simmetria tra loro. Matematicamente, nel punto di transizione, i due stati sono indistinguibili. In un sistema in equilibrio, quel punto è detto punto critico.

I fenomeni critici si manifestano ovunque: in cosmologia, fisica delle alte energie, persino nei sistemi biologici. Ma in tutti questi esempi, i ricercatori non sono riusciti a trovare un buon modello per i condensati che si formano quando i sistemi di meccanica quantistica sono accoppiati all’ambiente, sottoposti a smorzamento e pompaggio costanti.

Hanai e Littlewood sospettavano che punti critici e punti eccezionali dovessero condividere alcune proprietà importanti, anche se chiaramente scaturivano da meccanismi diversi. “I punti critici sono una sorta di interessante astrazione matematica”, ha detto Littlewood, “dove non puoi dire la differenza tra queste due fasi. Esattamente la stessa cosa accade in questi sistemi di polaritoni”.

Sapevano anche che sotto il cofano matematico, un laser – tecnicamente uno stato della materia – e un BEC polaritone-eccitone avevano le stesse equazioni sottostanti. In un documento pubblicato nel 2019, i ricercatori hanno collegato i punti, proponendo un meccanismo nuovo e, soprattutto, universale mediante il quale punti eccezionali danno luogo a transizioni di fase nei sistemi quantistici dinamici.

“Crediamo che sia stata la prima spiegazione per quelle transizioni”, ha detto Hanai.

Più o meno nello stesso periodo, ha detto Hanai, si sono resi conto che anche se stavano studiando uno stato quantistico della materia, le loro equazioni non dipendevano dalla meccanica quantistica. Il fenomeno che stavano studiando si applicava a fenomeni ancora più grandi e generali? “Abbiamo iniziato a sospettare che questa idea [connecting a phase transition to an exceptional point] potrebbe essere applicato anche ai sistemi classici”.

Ma per inseguire quell’idea, avrebbero bisogno di aiuto. Si avvicinarono a Vitelli e Michel Fruchart, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Vitelli, che studia simmetrie insolite nel regno classico. Il loro lavoro si estende ai metamateriali, ricchi di interazioni non reciproche; possono, ad esempio, mostrare reazioni diverse alla pressione su un lato o sull’altro e possono anche mostrare punti eccezionali.

Vitelli e Fruchart si sono subito incuriositi. C’era qualche principio universale che si stava svolgendo nel condensato di polaritoni, qualche legge fondamentale sui sistemi in cui l’energia non si conserva?

Sincronizzazione

Ora un quartetto, i ricercatori hanno iniziato a cercare i principi generali alla base della connessione tra non reciprocità e transizioni di fase. Per Vitelli questo significava pensare con le mani. Ha l’abitudine di costruire sistemi fisico-meccanici per illustrare fenomeni difficili e astratti. In passato, ad esempio, ha usato i Lego per costruire reticoli che diventano materiali topologici che si muovono in modo diverso sui bordi rispetto all’interno.

“Anche se quello di cui stiamo parlando è teorico, puoi dimostrarlo con i giocattoli”, ha detto.