I gas quantistici sono molto adatti per studiare le conseguenze microscopiche delle interazioni nella materia. Oggi gli scienziati possono controllare con precisione le singole particelle in nubi di gas raffreddate a temperature estreme in laboratorio, rivelando fenomeni che non possono essere osservati nel mondo di tutti i giorni.
Ad esempio, i singoli atomi in un condensato di Bose-Einstein sono completamente delocalizzati. Ciò significa che lo stesso atomo esiste in ogni punto all’interno del condensato in un dato momento.
Due anni fa, il gruppo di ricerca guidato da Francesca Ferlaino del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck e dell’Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica dell’Accademia austriaca delle scienze di Innsbruck è riuscito per la prima volta a generare stati supersolidi di gas quantistici di atomi magnetici in condizioni ultrafredde. L’interazione magnetica fa sì che gli atomi si auto-organizzino in goccioline e si dispongano in uno schema regolare.
“Normalmente, penseresti che ogni atomo si trovi in una goccia specifica, senza alcun modo di interporsi tra di loro“, afferma Matthew Norcia del team di Francesca Ferlaino.
“Tuttavia, nello stato supersolido, ogni particella è delocalizzata attraverso tutte le goccioline, esistenti simultaneamente in ciascuna gocciolina. Quindi, fondamentalmente, hai un sistema con una serie di regioni ad alta densità (le goccioline) che condividono tutte gli stessi atomi delocalizzati”.
Questa bizzarra formazione consente effetti come il flusso senza attrito nonostante la presenza di ordine spaziale (superfluidità).
Nuove dimensioni, nuovi effetti da esplorare
Fino ad ora, gli stati supersolidi nei gas quantistici sono stati osservati solo come una serie di goccioline (lungo una dimensione).
“In collaborazione con i teorici Luis Santos della Leibniz Universität Hannover e Russell Bisset di Innsbruck abbiamo ora esteso questo fenomeno a due dimensioni, dando origine a sistemi con due o più file di goccioline”, spiega Matthew Norcia.
Questo non è solo un miglioramento quantitativo, ma amplia anche in modo cruciale le prospettive di ricerca.
“Ad esempio, in un sistema supersolido bidimensionale, si può studiare come si formano i vortici nel foro tra diverse goccioline adiacenti“, afferma.
“Questi vortici descritti in teoria non sono ancora stati dimostrati, ma rappresentano un’importante conseguenza della superfluidità”, Francesca Ferlaino sta già guardando al futuro. L’esperimento ora riportato sulla rivista Nature crea nuove opportunità per approfondire la fisica fondamentale di questo affascinante stato della materia.
Nuovo campo di ricerca: i supersolidi
Predetta 50 anni fa, la supersolidità con le sue sorprendenti proprietà è stata ampiamente studiata nell’elio superfluido.
Tuttavia, dopo decenni di ricerche teoriche e sperimentali, mancava ancora una chiara prova di supersolidità in questo sistema.
Due anni fa, gruppi di ricerca di Pisa, Stoccarda e Innsbruck sono riusciti per la prima volta in modo indipendente a creare i cosiddetti supersolidi da atomi magnetici in gas quantistici ultrafreddi.
La base per il nuovo, crescente campo di ricerca dei supersolidi è la forte polarità degli atomi magnetici, le cui caratteristiche di interazione consentono la creazione di questo paradossale stato quantomeccanico della materia in laboratorio.
Riferimento: “Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas” 18 agosto 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03725-7
