Deviazione dalla simmetria nei gas superfluidi e ultrafreddi

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Un respiro quantistico di particelle ultrafredde che rompono la simmetria. Su Science una ricerca dell’Università di Heidelberg dimostra per la prima volta una deviazione teoricamente prevista dalla fisica classica: una scoperta che potrebbe aiutarci a capire meglio il mondo dei superconduttori e del grafene.

Le forme, gli oggetti, le piante e gli animali in cui abitualmente ci imbattiamo durante la giornata (noi stessi compresi, con il nostro corpo che guardiamo sospetti la mattina davanti allo specchio del bagno) sono ridondanti, ripetitivi: abbiamo due orecchie, due occhi, due gambe e ciascuna coppia è divisa equamente tra un lato destro e un lato sinistro. Sono molti i fenomeni naturali che sembrano evidenziare una struttura “simmetrica” nel mondo che abitiamo e, in qualche misura, questa stessa simmetria guida la comprensione di scienziati e ricercatori ad alcuni dei meccanismi interni alla Natura.

La struttura di una foglia è uno dei tanti esempi di “simmetria” in natura.
La struttura di una foglia è uno dei tanti esempi di “simmetria” in natura.

In fisica quantistica, tuttavia, alcune deviazioni alla norma rompono il gioco di specchi o, se preferite: ecco l’eccezione che conferma la regola!

Una serie di esperimenti con atomi di litio ultrafreddi, e condotti in laboratorio dai ricercatori del Center for Quantum Dynamics dell’Università di Heidelberg, ha dimostrato per la prima volta una deviazione teoricamente prevista dalla simmetria classica.

«Sappiamo dalla fisica classica che l’energia di un gas aumenta proporzionalmente alla pressione applicata. È una conseguenza diretta di quella che matematici e fisici chiamano invarianza di scala, ovvero una legge che non cambia se si scalano lunghezze ed energie di un fattore comune. Nel mondo della meccanica quantistica, tuttavia, le interazioni tra le particelle possono diventare così forti da rompere la tradizionale simmetria fra gli elementi che compongono un sistema», spiega Tilman Enss, professore associato dell’Istituto di fisica teorica dell’Università di Heidelberg e alla guida del gruppo di ricerca che in collaborazione con il team di Selim Jochim ha firmato l’articolo appena pubblicato su Science

Ricercatori del Gruppo gas quantistici ultrafreddi all’Università di Heidelberg
Ricercatori del Gruppo gas quantistici ultrafreddi all’Università di Heidelberg

Gli esperimenti – condotti dal gruppo di Heidelberg guidato dai due autori principali dello studio, Puneet Murthy e Nicolò Defenu – si sono concentrati sul comportamento del litio in stato di gas superfluido e ultrafreddo. Una volta uscito dal suo stato di equilibrio, il gas inizia a espandersi e contrarsi in un movimento simile a un respiro: a differenza delle particelle classiche, le particelle quantistiche possono dare vita a legami che rendono il superfluido tanto più rigido quanto più viene compresso. In queste particolarissime condizioni della materia si assiste dunque a una deviazione dalla simmetria classica. Una scoperta che fornisce nuovi elementi utili alla comprensione di sistemi dalle proprietà simili, come il grafene o i superconduttori (che non presentano resistenza elettrica una volta raffreddati oltre una determinata temperatura).

Per saperne di più: Leggi su Science l’articolo “Quantum scale anomaly and spatial coherence in a 2D Fermi superfluid“, di P. A. Murthy, N. Defenu, L. Bayha, M. Holten, P. M. Preiss, T. Enss e S. Jochim

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