Battaglia a tre nel mondo dei quanti

Se si riscalda lentamente l'acqua in una pentola fino all'ebollizione, nel liquido si verifica un emozionante duello di energie. Da una parte c'è l'energia di interazione, che cerca di tenere insieme le molecole d'acqua grazie alla loro attrazione reciproca; dall'altra, però, l'energia cinetica, che aumenta man mano che l'acqua si riscalda, cerca di separare le molecole tra loro. Al di sotto del punto di ebollizione, l'energia di interazione mantiene il sopravvento, ma non appena l'energia cinetica prende il sopravvento, l'acqua bolle e si trasforma in vapore acqueo. Questo processo è noto anche come transizione di fase. L'interazione riguarda solo le molecole d'acqua che si trovano in prossimità l'una dell'altra.

I ricercatori guidati da Tilman Esslinger, professore presso l'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo, e da Tobias Donner, scienziato del suo gruppo, hanno ora dimostrato come sia possibile far "percepire" le particelle anche a distanze maggiori. Aggiungendo queste interazioni a lungo raggio, la fisica ha potuto osservare nuove transizioni di fase derivanti da triadi energetiche.

Mondi quantistici artificiali

Gli esperimenti della fisica di Zurigo non avvengono in una pentola, ovviamente, ma in un "simulatore quantistico", un mondo quantistico creato artificialmente. I ricercatori raffreddano una piccola nuvola di atomi di rubidio a temperature appena superiori allo zero assoluto e poi li intrappolano in un reticolo cristallino di raggi laser. L'energia di interazione si basa sulle collisioni tra gli atomi che viaggiano avanti e indietro tra i siti del reticolo. L'energia cinetica degli atomi può a sua volta essere controllata dalla forza dei raggi laser, che determina la mobilità degli atomi all'interno del reticolo.

Per realizzare finalmente un'interazione tra atomi distanti, Renate Landig, dottoranda del gruppo di lavoro di Esslinger, e i suoi colleghi utilizzano un trucco tecnico. Con l'aiuto di due specchi altamente riflettenti, hanno costruito un risonatore che fa sì che le particelle di luce deviate da uno degli atomi attraversino più volte la nube di rubidio. Di conseguenza, prima o poi tutti gli atomi della nube entrano in contatto con il fotone deviato. Di conseguenza, "percepiscono" la presenza dell'atomo originale che ha deviato per primo il fotone. Questo rilevamento a distanza equivale a un'interazione effettiva a lungo raggio. La forza con cui gli atomi interagiscono tra loro in questo modo può essere controllata con precisione utilizzando la frequenza dei raggi laser.

"Con l'aiuto di questo trucco, ora abbiamo tre scale di energia nel nostro sistema che competono tra loro: oltre all'energia cinetica e all'energia di interazione, abbiamo anche l'energia dell'interazione a lungo raggio", spiega Landig. "Cambiando l'energia cinetica e l'energia di interazione a lungo raggio, possiamo studiare diverse transizioni di fase quantistiche inedite".

Transizioni di fase del primo ordine

Alcune delle possibili transizioni di fase erano già note ai ricercatori. Ad esempio, se l'interazione a lungo raggio è molto piccola e l'energia cinetica viene gradualmente aumentata, lo stato aggregato della nube di rubidio passa da un isolante di Mott, in cui un atomo è immobile su ogni sito del reticolo, a un superfluido in cui gli atomi possono muoversi in modo completamente libero.

Tuttavia, se i ricercatori aumentano l'energia dell'interazione a lungo raggio, accade qualcosa di completamente diverso: a una certa forza di questa interazione, gli atomi si dispongono spontaneamente in uno schema a scacchiera, con un sito reticolare vuoto tra ogni due atomi. "La particolarità è che questa transizione di fase, simile a quella tra acqua e vapore acqueo, è una transizione del primo ordine", sottolinea Donner. In tali transizioni di fase, una certa proprietà di una sostanza cambia bruscamente, mentre nelle transizioni di secondo ordine, come precedentemente dimostrato nei sistemi quantistici artificiali, il cambiamento è graduale.

Suprasolidità provata

La fisica è riuscita a ottenere un'altra insolita transizione di fase rendendo molto grandi sia l'energia cinetica sia l'interazione a lungo raggio. In questo caso, nel reticolo si è nuovamente formato un motivo a scacchiera, ma questa volta si è verificata una coerenza di fase tra gli atomi, cioè le loro funzioni d'onda quantomeccaniche erano sincronizzate. Tale coerenza si osserva normalmente solo quando gli atomi possono muoversi in modo relativamente libero, come nel caso dello stato superfluido. L'esistenza simultanea di un motivo a scacchiera e della coerenza di fase, invece, indica che si tratta di una fase superfluida. Lo stato ermafrodita del suprasolidio era già stato previsto teoricamente cinquant'anni fa, ma finora è stato difficile dimostrarlo al di là di ogni dubbio.

In futuro, Esslinger e i suoi collaboratori studieranno questi e altri effetti esotici in modo più dettagliato nel loro simulatore quantistico. L'obiettivo dei ricercatori è quello di ottenere una panoramica dei fenomeni quantistici in sistemi sempre più complessi. Questo processo va di pari passo con lo sviluppo e la ricerca di materiali con proprietà speciali.

La ricerca è stata condotta nell'ambito di pagina esternaTherMiQ,Il progetto fa parte di un progetto di ricerca europeo che studia la termodinamica dei sistemi quantistici mesoscopici in apertura.