Monday, 19 Nov 2018

Comportamento bizzarro dei superfluidi

Gli scienziati hanno creato un nuovo superfluido che ha una ‘massa negativa’, il che significa che se si spinge verso destra, accelera verso sinistra e vice-versa. Lo strano comportamento può suonare come una violazione bizzarra della natura, ma si tratta di un fenomeno che i fisici hanno visto già in precedenza. Tuttavia, questa è la prima volta che la ‘massa negativa’ è stata dimostrato senza ambiguità, in laboratorio, ha detto Han Pu, un fisico teorico presso la Rice University.

Spieghiamo meglio cosa significa in questa sede ‘massa negativa’.

Anche se la nuova dimostrazione sembra violare le leggi della fisica, in realtà non è così. La massa negativa efficace del sistema in questo caso è massa inerziale, che impone ad un oggetto di accelerare in risposta ad una forza applicata; in questo caso lo studio significa semplicemente che, in certe condizioni dinamiche strette, il segno sul termine massa nell’equazione è capovolto. Ma l’energia è ancora conservata e la massa gravitazionale del sistema, vale a dire la quantità di forza gravitazionale esercitata dalla nuvola di atomi, non è cambiata. Quindi la legge di gravitazione universale di Newton, che descrive l’attrazione gravitazionale tra due masse, non è stata violata.

Una delle prime cose che gli studenti imparano in fisica alle scuole superiori è che la forza è uguale alla massa per l’accelerazione, o F = m * a. Chiamata seconda legge del moto di Newton, l’equazione determina ciò che tutti gli uomini sperimentano tutti i giorni: se si preme su un oggetto, esso accelera lontano da noi.Eppure, per lungo tempo, gli scienziati hanno saputo che – in teoria, almeno – ci sono alcune condizioni in cui l’accelerazione potrebbe essere negativa.”Questi tipi di condizioni negative di massa possono sorgere in una varietà di contesti,” ha detto Forbes.

Tuttavia, ci sono  tracce di questo comportamento che si son verificate spontaneamente in sistemi dove la luce viaggia attraverso materiali non lineari con speciali proprietà elettriche, nonché in alcuni tipi di cristalli . Tuttavia, in questi sistemi, è stato difficile controllare o prevedere dove si fosse verificata ‘massa negativa’, quindi era difficile dire se il comportamento fosse effettivamente avvenuto.Gli scienziati hanno creato le condizioni per massa negativa raffreddando atomi di rubidio a solo un pelo sopra lo zero assoluto, creando ciò che è noto come un condensato di Bose-Einstein. In questo stato, le particelle si muovono molto lentamente e, seguendo i principi della meccanica quantistica, si comportano come onde. Esse inoltre sono sincronizzate e si muovono all’unisono in ciò che è noto come un superfluido, che scorre senza perdita di energia. Guidati da Peter Engels, WSU professore di fisica e astronomia, i ricercatori hanno creato queste condizioni utilizzando il laser per rallentare le particelle, rendendole più fredde, permettendo alle particelle calde di alta energia di sfuggire come vapore, raffreddando ulteriormente il materiale. I laser hanno intrappolato gli atomi come se fossero in una ciotola che misura meno di un centinaio di micron di diametro. A questo punto, il superfluido di rubidio ha massa regolare. Rompendo la ciotola il rubidio fluisce al di fuori, espandendosi dal centro verso l’esterno.
Per creare massa negativa, i ricercatori hanno sparato impulsi con un secondo set di laser sugli atomi avanti e indietro cambiando il loro spin. Ora, quando il rubidio si precipita fuori abbastanza velocemente, si comporta come se avesse massa negativa. “Una volta che si preme, si accelera a ritroso”, ha detto Forbes, “Sembra che il rubidio colpisca un muro invisibile.”

 

I nuovi risultati sono interessanti da un punto di vista puramente teorico, e potrebbero contenere indizi sul comportamento che si verifica nel cuore ultrafreddo delle stelle di neutroni, che fungono anche da superfluidi. Per esempio, le nubi fredde di atomi di litio pieni di fermioni hanno quasi le identiche proprietà energetiche delle stelle di neutroni, in modo da poter essere utilizzate per creare “esperimenti” che altrimenti non avrebbero potuto essere condotti sui massicci oggetti interstellari nello spazio.

[Negative-Mass Hydrodynamics in a Spin-Orbit–Coupled Bose-Einstein Condensate – Khamehchi et al. 2017] Phys. Rev. Lett. 118, 155301

Fonte: ScienceDaily

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

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