Un esperimento quantistico svela che le particelle possono formare collettivi dal nulla

Quante particelle servono prima che i singoli atomi inizino a comportarsi come un collettivo? Secondo una nuova ricerca, il numero è incredibilmente basso. E’ sufficiente che sei atomi transitino in un sistema macroscopico, nelle giuste condizioni.
I fisici mediante una trappola laser ultra fredda appositamente progettata, hanno osservato il precursore quantistico della transizione da una fase normale a una fase superfluida, trovando la possibilità di studiare l’emergere del comportamento atomico collettivo e i limiti dei sistemi macroscopici.
La fisica a molti corpi è il campo che cerca di descrivere e comprendere il comportamento collettivo di un gran numero di particelle: un secchio d’acqua, per esempio, o una bombola di gas. Possiamo descrivere queste sostanze in termini di densità o temperatura – il modo in cui la sostanza agisce nel suo insieme.
Questi sono chiamati sistemi macroscopici e non possiamo comprenderli semplicemente studiando il comportamento dei singoli atomi o molecole. Piuttosto, il loro comportamento emerge dalle interazioni tra particelle che individualmente non hanno le stesse proprietà del sistema nel suo insieme.
Alcuni esempi di comportamenti macroscopici che non possono essere descritti microscopicamente prendono in considerazione eccitazioni collettive, come i fononi che fanno oscillare gli atomi in un reticolo cristallino. Le transizioni di fase sono un altro esempio, quando una sostanza passa da una fase all’altra, come quando il ghiaccio si scioglie, o quando l’acqua evapora.
I fisici hanno cercato da tempo di capire come questo comportamento collettivo emerga da particelle individuali, cioè come il macroscopico emerge dal microscopico.
Per farlo un team di ricercatori dell’Università di Heidelberg ha progettato un esperimento per cercare di scoprirlo.
L’esperimento consiste in un raggio laser strettamente focalizzato che funzione come una “trappola” per gli atomi ultra freddi di un isotopo stabile del litio, il litio-6. Quando viene raffreddato a una frazione di grado sopra lo zero assoluto, questo isotopo fermionico può comportarsi come un superfluido, con viscosità zero.
All’interno della trappola laser, può essere trattenuto un numero molto piccolo di atomi di litio, in modo tale da simulare un comportamento quantistico. All’interno del sistema, il team ha mettere a punto le interazioni tra gli atomi utilizzando le risonanze di Feshbach.
“Da un lato, il numero di particelle nel sistema è abbastanza piccolo da descrivere il sistema al microscopio”, ha spiegato il ricercatore Luca Bayha . “D’altra parte, gli effetti collettivi sono già evidenti”.
Una volta che gli atoni vengono intrappolati all’interno del dispositivo laser, i ricercatori attivano la trappola, da un’attrazione zero a un’attrazione così forte che gli atomi si uniscono in coppie legate. Questo è un requisito per formare un superfluido fermionico: le particelle fermioniche devono legarsi insieme come coppie di Cooper che agiscono come bosoni, una particella più pesante che forma una fase superfluida a temperature più elevate rispetto ai fermioni.
In ogni esperimento, il team ha studiato quando emergeva il comportamento collettivo in base al numero di particelle e alla forza di interazione tra di loro. Hanno scoperto che le eccitazioni delle particelle non erano solo legate alla forza dell’attrazione tra di loro, ma che erano il precursore di una transizione di fase quantistica in superfluido di coppie di Cooper.
“Il risultato sorprendente del nostro esperimento è che solo sei atomi mostrano tutte le firme di una transizione di fase prevista per un sistema a molte particelle”, ha detto il fisico Marvin Holten.
Il grado di controllo ottenuto dai ricercatori sarà utile in futuro per altre ricerche, come lo studio del processo di termalizzazione nei sistemi quantistici.
Saranno inoltre in grado di condurre sonde di superfluido fermionico a livello fondamentale e di studiare l’emergenza di coppie di Cooper in sistemi più grandi.
La ricerca del team è stata pubblicata su Nature.
Fonte: https://www.sciencealert.com/quantum-simulator-reveals-that-phase-transition-can-begin-with-just-six-atoms