Fisici creano un mare di Fermi frazionario in atomi ultrafreddi
Ricercatori dell'Università di Innsbruck e del CNRS portano gli atomi di cesio fuori dall'equilibrio per svelare uno stato quantistico ordinato.
Di Letizia Giugliano
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Un team di ricerca guidato dall'Università di Innsbruck, in collaborazione con teorici francesi, ha realizzato una configurazione quantistica esotica nota come mare di Fermi frazionario. Descritta in Physical Review Letters, questa innovazione scientifica dimostra che gli atomi ultrafreddi sottoposti ad attrazione e repulsione alternate mantengono un ordine strutturato invece di collassare nel disordine termico.
Portare gli atomi ultrafreddi oltre l'equilibrio
In condizioni standard prossime allo zero assoluto, le particelle quantistiche occupano stati energetici discreti in configurazioni prevedibili, come il mare di Fermi osservato negli elettroni e in altri fermioni. Secondo un resoconto di ScienceDaily, i ricercatori hanno indagato cosa accade quando tali condizioni stabili vengono volutamente perturbate, perseguendo un'innovazione cruciale nella manipolazione degli stati quantistici.
Per verificarlo, il team di ricerca ha confinato atomi di cesio ultrafreddi in un sistema unidimensionale, limitandone il movimento lungo un singolo asse per ottenere un controllo preciso delle interazioni. Il fisico teorico Alvise Bastianello del CNRS e dell'Université Paris-Dauphine ha modellato l'effetto del ciclico alternarsi degli atomi tra forte repulsione reciproca e forte attrazione reciproca. Come ha osservato l'autore principale Yi Zeng nello studio, questo ciclo ha portato gli atomi dal loro stato fondamentale di minima energia a una configurazione eccitata senza causare un riscaldamento termico caotico, stabilendo uno stato a molti corpi strutturato.
«Questo stato è altamente eccitato, ma non è casuale. Ha un ordine nascosto che diventa visibile nelle sue correlazioni.»
— Hanns-Christoph Nägerl, Università di Innsbruck
Schemi matematici e oscillazioni di Friedel
La disposizione risultante, denominata mare di Fermi frazionario, si discosta dal tipico comportamento fuori equilibrio mantenendo una distinta organizzazione interna. Come dettagliato da ScienceDaily, la configurazione presenta caratteristiche ondulazioni di densità note come oscillazioni di Friedel, che tracciano il modo in cui le particelle quantistiche si influenzano a vicenda.
I ricercatori hanno anche rilevato decadimenti anomali delle correlazioni tra particelle su diverse distanze, anche quando le forze repulsive restavano relativamente basse. Queste specifiche firme matematiche divergono dalle previsioni basate sulla teoria del liquido di Tomonaga-Luttinger, il quadro consolidato utilizzato per descrivere particelle quantistiche interagenti in una dimensione, dimostrando che lo stato opera al di fuori dei modelli di equilibrio tradizionali.
Quasiparticelle emergenti e questioni teoriche
La scoperta fornisce una base teorica e sperimentale per il lavoro presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale dell'Università di Innsbruck, diretto dal capogruppo Hanns-Christoph Nägerl. La ricerca evidenzia come il comportamento coordinato delle particelle produca eccitazioni collettive, note in fisica come quasiparticelle, che agiscono come entità individuali all'interno del sistema.
Poiché il comportamento osservato non può essere spiegato pienamente dai modelli unidimensionali esistenti, i ricercatori stanno valutando come classificare questi fenomeni collettivi. Come documentato da ScienceDaily, Nägerl ha osservato che le eccitazioni inusuali potrebbero rappresentare una classe distinta di entità, suggerendo provvisoriamente il termine super-fermioni mentre prosegue la ricerca su questi stati fuori equilibrio, offrendo nuove intuizioni che potrebbero ispirare future invenzioni nelle tecnologie quantistiche avanzate.
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