Atomi ultrafreddi che interagiscono a distanza

Illustrazione del reticolo di atomi di erbio usati nello studio (Credit: Erbium team/Simon Baier)
Illustrazione del reticolo di atomi di erbio usati nello studio (Credit: Erbium team/Simon Baier)
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Uno studio del gruppo ha caratterizzato le interazioni a lungo raggio tra atomi di erbio tenuti a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Si tratta di un nuovo passo avanti verso la comprensione del bizzarro comportamento quantistico della materia in condizioni di ultrafreddo in fisica delle particelle.

La capacità di comprendere il bizzarro comportamento quantistico della materia in condizioni di ultrafreddo ha fatto un grosso passo in avanti grazie a uno studio firmato da Francesca Ferlaino e colleghi dell’Università di Innsbruck e pubblicato su “Science”. Gli autori hanno caratterizzato in particolare le interazioni dipolari a lungo raggio di un gas di atomi di erbio.

Il comportamento degli atomi nella materia condensata è uno dei più difficili da descrivere per la fisica quantistica. Specialmente in molti processi, come il ripiegamento delle proteine a partire dalla loro struttura lineare o l’orientamento dei cristalli liquidi, questo comportamento dipende fortemente dalle interazioni dipolari, cioè dalle forze che agiscono tra atomi che si comportano come minuscole barrette magnetiche: si respingono se sono orientate nello stesso modo e si attraggono se sono orientate in verso opposto.

Ora, tenere conto di tutte le possibili interazioni dipolari di un sistema formato da un gran numero di atomi, come nel caso della materia condensata, è un’impresa improba. Per questo motivo, il grande fisico Richard Feynman negli anni ottanta ipotizzò l’impiego di modelli, cioè campioni di materia realizzati artificialmente in laboratorio.

Questa ipotesi speculativa di Feynman iniziò a concretizzarsi circa due decenni fa grazie ai lavori teorici di Ignacio Cirac e Peter Zoller, che formularono l’idea di modellizzare la materia sfruttando gas di atomi portati in prossimità dello zero assoluto, in modo che gli atomi stessi fossero rallentati nei loro moti rotazionali e vibrazionali fino quasi a fermarsi, e disposti secondo una precisa struttura a reticolo, la stessa che caratterizza a livello microscopico metalli e cristalli.

Questa disposizione può essere ottenuta con fasci incrociati di laser di opportuna frequenza, che bloccano gli atomi del campione in una struttura ordinata. Il rapporto tra atomi e laser è un po’ lo stesso rapporto che c’è tra uova (atomi) e i cartoni ondulati (struttura ordinata) che le contengono.

Un dato particolarmente interessante è che portati in condizioni di ultrafreddo, cioè a poche frazioni di grado dallo zero assoluto, i gas di atomi perdono la loro individualità e si comportano come un tutt’uno, seguendo le leggi statistiche formulate negli anni venti dal fisico indiano Satyendra Nath Bose in base ad alcuni lavori di Albert Einstein, e sono perciò chiamati condensati di Bose-Einstein.

La ricerca su questi sistemi è iniziata alcuni anni fa, e i primi successi sono stati ottenuti con atomi di rubidio e sodio. Più di recente, il gruppo di Ferlaino si è dedicato all’ambizioso progetto di studiare con le stesse tecniche atomi molto più grandi come quelli di erbio, mantenuti a una temperatura di pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto. Poiché sono dotati di un gran numero di elettroni di valenza, ovvero gli elettroni più esterni del guscio atomico, il comportamento dei gas di erbio è molto complesso, ma per questo anche affascinante, soprattutto per il forte magnetismo che mostrano e che li porta a interagire anche a distanza relativamente grande.

Nell’esperimento descritto su “Science”, Ferlaino e colleghi hanno studiato il comportamento di un reticolo tridimensionale di atomi di erbio in condizioni di ultrafreddo, in cui la distanza tra un atomo e l’altro era di ben sette volte la lunghezza d’onda dell’onda quantistica associata agli atomi stessi, andando quindi ben oltre studi dello stesso tipo che si erano focalizzati sulle interazioni a breve raggio.

La caratterizzazione del comportamento quantistico del campione è stata ottenuta grazie a campi magnetici applicati dall’esterno che hanno permesso di cambiare l’orientazione dei singoli atomi e di verificare così le mutue interazioni di dipolo in diverse condizioni.

“La nostra collaborazione con il gruppo di Zoller è stata indispensabile per comprendere in modo completo i risultati”, ha spiegato Ferlaino. “Il nostro lavoro è un passo importante verso una migliore comprensione del comportamento quantistico della materia dipolare, molto più complesso di quello dei gas quantistici ultrafreddi in altri esperimenti.”

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