Osservare un gas trasformarsi in un supersolido
Raffreddando un gas superfluido noto come condensato di Bose-Einstein, i ricercatori del progetto DipInQuantum (Dipolar quantum gases of Dysprosium), finanziato dall’UE, sono riusciti a far entrare il condensato in una fase quantica della materia che ha una struttura cristallina e può fluire come un liquido ma senza attrito interno. Goccioline auto-legate Mentre gli atomi ultrafreddi si trovano comunemente in una fase gassosa, prove recenti hanno sorprendentemente dimostrato che in circostanze particolari gli atomi condensati possono formare goccioline liquide «auto-legate». «Le interazioni tra i dipoli magnetici degli atomi di lantanidi in un gas ultrafreddo possono produrre una goccia liquida "auto-legata". Ciò fornisce un utile sistema isolato per sondare le proprietà meccanico-quantiche dei gas ultrafreddi», osserva il dott. Tilman Pfau, che è stato responsabile del progetto DipInQuantum. All’origine di questa nuova fase c’è la coesistenza di forze repulsive e attrattive che si bilanciano perfettamente per generare questo sistema auto-legato. L’auto-organizzazione è una caratteristica chiave nei sistemi a molti corpi, dove l’ordine sorge spontaneamente a causa delle interazioni tra particelle. «Nel nostro caso, la stabilità di queste gocce auto-legate dipende da un sottile equilibrio di tre interazioni. Le forze di contatto e le fluttuazioni quantistiche determinano la componente repulsiva delle interazioni, mentre le forze dipolari rappresentano la componente di attrazione», osserva il dott. Pfau. Recenti scoperte suggeriscono che possono esistere insiemi di atomi ultrafreddi auto-legati per densità di numeri di atomi che sono 100 milioni di volte inferiori rispetto che in una goccia di elio, che è formata da un liquido quantico denso. Tuttavia, la prova sperimentale di tali insiemi è rimasta inafferrabile fino ad ora perché richiedono forze diverse dalla normale interazione di contatto a portata zero, che sono attraenti o repulsive, ma mai entrambe. Queste goccioline sono la controparte diluita di sistemi auto-legati fortemente correlati come nuclei atomici e goccioline di elio. Gas, liquido e cristallo quantico tutto in uno Il team del progetto ha raffreddato un gas di atomi di disprosio molto vicino allo zero assoluto. Questi atomi possono essere visti come minuscoli magneti, dato che il disprosio è l’elemento più magnetico. Per le loro indagini, i ricercatori hanno creato un gas superfluido con 3 000 atomi di disprosio e li hanno levitati con un alto campo magnetico. Hanno quindi osservato modelli regolari costituiti da goccioline microscopiche. Durante la levitazione magnetica, le goccioline inizialmente hanno perso gli atomi e, non appena hanno raggiunto un numero atomico critico, sono evaporati trasformandosi in gas. «Abbiamo scoperto un nuovo stato della materia che mostra le caratteristiche apparentemente contraddittorie di un gas, di un cristallo e di un superfluido», osserva il dott. Pfau. I ricercatori ritengono che le fluttuazioni quantiche svolgano un ruolo importante nell’esistenza delle goccioline. Dato il principio di indeterminazione di Heisenberg, gli atomi che formano la gocciolina non possono rimanere completamente fermi al suo interno e rimangono invece in un moto perpetuo. Questi atomi confinati in un piccolo volume generano una pressione quantica. Questo rende instabile la gocciolina e gli atomi evaporano in un gas in espansione. «La combinazione di gas, liquido e cristallo quantico in un singolo stato della materia potrebbe essere la strada per reali supersolidi, un materiale ordinato spazialmente con proprietà superfluidiche», aggiunge il dott. Pfau. Atomi di disprosio che trasportano un momento di dipolo più forte fanno ben sperare per la conduzione di esperimenti rivoluzionari nel campo quantico. Come magneti eccezionali, aiutano enormemente lo studio delle goccioline di liquido quantico. Fino ad ora, i supersolidi, che sono allo stesso tempo sia superfluidi che solidi, sono uno stato della materia previsto in teoria. Utilizzando un metodo legittimo che sfrutta un condensato di Bose-Einstein, DipInQuantum ha aperto con successo la strada per ulteriori indagini su questo strano stato della materia.
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