Hanno avvicinato le coppie di atomi come mai prima d'ora


I progressi nel campo della fisica quantistica sono spesso segnati da scoperte affascinanti. Questa nuova svolta dei ricercatori del MIT non fa eccezione. Questi scienziati sono infatti riusciti a riunire due strati di atomi magnetici ultrafreddi a notevole distanza, rivelando così fenomeni quantistici sorprendenti che non erano mai stati osservati prima.

Strano comportamento

Il contesto di questo progresso è cruciale per comprenderne l’intera portata. Consideriamo innanzitutto cosa succede quando gli atomi vengono raffreddati a temperature estremamente basse, prossimo allo zero assoluto (-273,15°C).

A tali temperature, i moti termici degli atomi diventano quasi trascurabili, costringendoli ad occupare il loro stato quantistico più basso, chiamato anche lo stato fondamentale. Gli atomi si comportano quindi secondo le regole della meccanica quantistica, dove le nozioni classiche di particelle discrete vengono sostituite descrizioni probabilistiche e ondulatorie.

IL condensato di Bose-Einstein è un fenomeno quantistico che si verifica quando gli atomi raffreddati a temperature ultra-basse finiscono tutti nello stesso stato quantistico, formando così una sorta di “super-atomo” dove i confini tra le singole particelle diventano sfumati. A differenza della materia ordinaria in cui ogni atomo è distinto, in un condensato di Bose-Einstein gli atomi si comportano in questo modo collettivamente come un’unica entità coerente.

Questo comportamento ondulatorio è una delle caratteristiche più intriganti della fisica quantistica. Mostra come le proprietà dei singoli atomi possono intrecciarsi e sovrapporsi per formare fenomeni macroscopici completamente nuovi. Questa capacità delle particelle di comportarsi come onde è essenziale per comprendere molti aspetti della fisica quantistica, tra cui la superconduttività, la superradianza e altri fenomeni avanzati.

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Negli anni '20, Albert Einstein e il fisico indiano Satyendra Nath Bose furono i primi a predire l'esistenza di una strana forma di materia ora conosciuta come condensato di Bose-Einstein. Crediti: NIST/JILA/CU-Boulder

Diverse sfide tecniche

Tuttavia, lo studio dei fenomeni quantistici presenta sfide tecniche significative, in particolare per quanto riguarda le interazioni tra particelle. Questi sono particolarmente spesso sensibili a distanza tra le particelleche può complicare esperimenti e osservazioni.

Nell'ambito dello studio citato, i ricercatori erano interessati a atomi di disprosio che hanno la particolarità di poterlo fare interagiscono a lunghe distanze tramite interazioni dipolo-dipolo. Queste sono le deboli forze attrattive che si verificano tra le cariche parziali degli atomi adiacenti. A differenza di altri tipi di interazioni atomiche, come le interazioni di Van der Waals che decadono rapidamente con la distanza, le interazioni dipolo-dipolo possono essere avvertite a distanze maggiori.

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Tuttavia, anche con questa capacità di interagire a distanza, i ricercatori devono affrontare sfide nello studio di queste interazioni quantistiche a lungo raggio. La difficoltà principale risiede nella necessità di controllare la distanza tra le particelle con estrema precisione. Variazioni minime nella distanza tra gli atomi possono infatti avere effetti significativi sulle loro interazioni quantistiche.

Coppie di atomi distanti 50 nanometri

Per superare gli ostacoli tecnici e studiare gli effetti quantistici su una scala così precisa, i ricercatori devono quindi utilizzare metodi innovativi. In questo studio, il team del MIT ha trovato una soluzione utilizzando raggi laser focalizzati attraverso una lente. Questi ultimi formano a Punto focale gaussiano che funge da trappola energetica per gli atomi. L'idea è di confinarli all'interno per mantenerli in posizione.

Ciò che rende questo approccio particolarmente ingegnoso è che i ricercatori hanno utilizzato due raggi laser separati per intrappolare separatamente la rotazione verso l’alto e verso il basso degli atomi di disprosio. Questi raggi laser sono sintonizzati su frequenze e angoli di polarizzazione leggermente diversi in modo che ciascuno intrappola solo una delle rotazioni degli atomi.

Questa tecnica consente ai ricercatori di avere un controllo preciso sui doppi strati degli atomi di disprosio mantenendoli incredibilmente vicini. Controllando attentamente le proprietà delle pinzette ottiche, il team del MIT è riuscito a riunire le due rotazioni degli atomi a una distanza inferiore a 50 nanometri di distanza, dieci volte più vicino che negli esperimenti precedenti. Ciò ha permesso di aumentare significativamente la forza di interazione tra gli atomi, aprendo la strada allo studio approfondito degli effetti quantistici su questa scala.

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Crediti: Jian Fan/istock

Quali implicazioni?

Questa vicinanza senza precedenti ha rivelato in particolare una serie di strani effetti quantistici, uno dei più notevoli dei quali è il trasferimento di calore attraverso il vuoto tra i due strati di atomi. Questo fenomeno sfida le consuete aspettative sul trasferimento di calore, dimostrando la complessità delle interazioni quantistiche su questa scala.

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Lo studio delle interazioni quantistiche tra questi doppi strati di atomi non si ferma qui. I ricercatori intendono esplorare nuovi aspetti, compreso il modo in cui questi doppi strati interagire con la luce. Questa esplorazione è fondamentale, perché potrebbe rivelare fenomeni ancora sconosciuti e aprire la strada a nuove applicazioni tecnologiche.

Uno degli aspetti più intriganti è la possibilità di formarsi coppie Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Si tratta di stati quantistici legati che si formano tra alcune particelle subatomiche, chiamate fermioni, a temperature molto basse. In queste coppie, i fermioni sono collegati tra loro attraverso interazioni quantistiche, creando uno stato collettivo che si comporta diversamente dalle singole particelle.

La formazione di queste coppie BCS è di particolare interesse, perché è strettamente legata ad un fenomeno ben noto: l' superconduttività. In alcuni materiali, infatti, quando gli elettroni formano coppie BCS, possono fluire attraverso il materiale senza incontrare resistenza elettrica, creando così uno stato di superconduttività. Questo fenomeno ha importanti implicazioni in vari campi, tra cui l’elettronica, la tecnologia dei sensori e la trasmissione dell’energia.

Pertanto, esplorando la possibilità di formare coppie BCS in questi doppi strati di atomi, i ricercatori stanno aprendo la strada a nuovi progressi nel campo della superconduttività. Queste scoperte potrebbero potenzialmente portare allo sviluppo di materiali superconduttori a temperatura ambiente, che rivoluzionerebbero molti aspetti della tecnologia moderna.

I dettagli dello studio sono pubblicati sulla rivista Scienza.





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