Atomi: svelate le interazioni quantistiche nei gas

Un modo pratico per studiare la meccanica quantistica è fornito da gas che hanno densità estremamente bassa e sono costituiti da molti atomi, spesso più di centomila, raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. Silvia Musolino ha studiato diversi tipi di interazioni tra questi atomi, fornendo nuovi percorsi per la ricerca futura su nuove tecnologie come i computer quantistici.

Le leggi della meccanica quantistica governano la fisica su scala atomica e si distingue dalla meccanica classica, che si occupa principalmente di fenomeni naturali che possiamo vedere, sentire o toccare. Tuttavia, anche la meccanica quantistica influenza la nostra vita quotidiana. I transistor, che sono componenti cruciali dei dispositivi elettronici, si basano su effetti della meccanica quantistica. Inoltre, la meccanica quantistica apre la strada a nuove tecnologie che potrebbero avere un forte impatto sulle nostre vite, come i computer quantistici.

Atomi che si muovono tutti insieme

Nei gas con densità estremamente bassa, molto inferiore alla densità dell’aria, gli atomi si vedono a malapena. Il comportamento di questi sistemi dipende solo da alcuni parametri, ad esempio densità e temperatura. Ciò consente di costruire modelli teorici molto generali in grado di descrivere sistemi molto diversi tra loro.

Nella meccanica quantistica gli atomi si comportano come onde con una scala di lunghezza caratteristica, chiamata lunghezza d’onda termica. A basse temperature, questa scala diventa più grande della distanza tra due atomi, e così le onde associate agli atomi possono essere sommate portando a fenomeni collettivi, come la condensazione di Bose-Einstein.

Quando gli atomi subiscono la condensazione di Bose-Einstein, iniziano a muoversi tutti insieme nella stessa direzione e, anche se sono molti, si comportano come un’unica entità. Durante il suo progetto di tesi, Musolino ha analizzato questo fenomeno utilizzando la funzione di correlazione a un corpo, che quantifica la mutua connessione degli atomi all’interno del condensato di Bose-Einstein.

Formazione di compositi

Inoltre, ha studiato altri tipi di correlazioni considerando le interazioni tra atomi. Le interazioni sono caratterizzate da un parametro chiamato lunghezza di scattering, che può essere interpretato come la distanza dall’atomo in cui le interazioni funzionano effettivamente. Interazioni forti significano che la lunghezza di dispersione è molto più grande della spaziatura tra gli atomi. In particolare, Musolino ha considerato interazioni forti indotte da un rapido cambiamento della lunghezza di scattering nel tempo; questo rende le correlazioni dipendenti dal tempo e spinge il sistema fuori equilibrio.

Un atomo è un bosone se il numero di neutroni nel nucleo è pari, altrimenti è un fermione. Gli atomi bosonici amano stare insieme, nel senso che possono occupare lo stesso stato; invece, i fermioni sono “meno sociali” e due fermioni possono occupare lo stesso stato solo se hanno due spin diversi, che è una proprietà intrinseca della particella.

Poiché la formazione dei compositi dipende dal tipo di atomi, Musolino ha sviluppato un quadro teorico generale in grado di tracciare la dinamica delle correlazioni a pochi corpi in un sistema composto da molti atomi e ha applicato questo metodo ai gas bosonici e fermionici.

In questo modello, ha incluso anche caratteristiche sperimentali, come la presenza di una trappola contenitore, che rende gli atomi non completamente liberi di muoversi, e ha fatto numerosi confronti con i dati sperimentali esistenti, una scoperta importante. All’interno della sua teoria, ha mostrato come la presenza di compositi modifica la dinamica dell’intero sistema a molti corpi fornendo nuovi percorsi per la ricerca futura.

 

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