FERMIONI SOLITARI O 'COMPAGNONI'?

Un po’ come uccelli in uno stormo

A temperature che sfiorano lo zero assoluto, in un gas quantistico i fermioni, di solito separati tra loro nei diversi stati fisici, si uniscono mostrando un comportamento collettivo. Lo studio è su Science. Tra le potenziali applicazioni, sensori del futuro per campi magnetici piccolissimi

colored smoke series shot on white backgroundA temperature bassissime, quasi pari allo zero assoluto, alcune particelle, un po’ come un branco di animali, si uniscono in gruppo, comportandosi come un’entità unica e perdendo le differenze individuali rispetto allo ‘spin’ (letteralmente rotazione, una proprietà fisica che concorre a definire il loro stato quantico). È una sorpresa che ci arriva dall’Institute of Laser Physics dell’Università di Amburgo in Germania, in collaborazione con l’Institute of Photonic Sciences (ICFO), a Barcellona in Spagna. Gli Istituti hanno analizzato il comportamento di un gas ultrafreddo di fermioni, un particolare tipo di particelle fisiche con spin semintero, facendoli collidere tra loro. Il risultato è stato recentemente pubblicato su Science.

Insomma, contrariamente alle loro abitudini, che li vedono isolarsi in maniera regolare, le particelle si comportano un po’ come se fossero macchine in un ingorgo stradale, uccelli in uno stormo oppure dune di sabbia: sistemi, cioè, in cui il comportamento collettivo gioca un ruolo cruciale, dato che tutti i componenti del gruppo si muovono, volontariamente o meno, in maniera contemporanea e simultanea.

In generale, le particelle si dividono in bosoni e fermioni: quelle che hanno spin intero (pari a numeri interi o a 0) si definiscono bosoni, mentre quelle con spin semintero (frazionario) sono fermioni. Dalle conoscenze di fisica, mentre i bosoni tendono ad ammassarsi quanto più possibile nello stato più basso in energia –lo stato più conveniente-, al contrario i fermioni non si raggruppano, ma si distribuiscono dividendosi ordinatamente nei vari stati fisici (secondo il principio di esclusione di Pauli) fino a riempire l’ultimo stato disponibile. Insomma, quello che ci è noto finora è che i bosoni sono più ‘socievoli’, perché tendono a stare uniti, mentre i fermioni sono più ‘solitari’, dato che ognuno ‘sta nel suo stato’. Inoltre, la materia che noi vediamo, e dunque che compone anche noi stessi, è costituita di fermioni.

 Ma oggi, i ricercatori ci stupiscono, osservando che quando particelle con valori di spin molto alto collidono tra loro, l’esito di questa collisione è un cambiamento dello spin del singolo fermione. Così tali particelle, come in un tutt’uno, al contrario di prima si comportano ora in maniera collettiva, stabilizzando il gas attraverso queste oscillazioni dello spin, protratte nel tempo e di grande ampiezza.

In generale, “i fermioni, a causa del principio di Pauli, sono ‘individualisti’: non amano comportarsi nello stesso modo gli uni con gli altri”, ha affermato Maciej Lewenstein, Professore (ICREA) all’ICFO. In questo caso, “tuttavia, qui essi si uniscono mostrando un sorprendente comportamento collettivo”.

Questo effetto svanisce anche con una lievissima variazione della temperatura: si tratta di un fenomeno quantistico che è molto sensibile a qualsiasi perturbazione esterna.

Ma i ricercatori come sono arrivati a questo risultato? Intanto hanno ottenuto fermioni ultrafreddi, intrappolando, mediante una luce laser, un particolare gas quantistico (degenere, cioè la cui pressione non è legata alla temperatura) contenente atomi di potassio, che è stato raffreddato a temperature bassissime, prossime allo zero assoluto. Per effettuare l’esperimento, e osservare il comportamenti dei fermioni, all’interno del gas i ricercatori sono riusciti a creare differenti gruppi di spin mediante una dinamica, attraverso l’uso di bassi campi magnetici, che induce una variazione nelle particelle di questa proprietà fisica.

Il risultato è interessante e attraverso un’azione controllata di differenti processi fondamentali che stimolano o sopprimono il comportamento collettivo, gli scienziati sono in grado di individuare nuovi percorsi per studiare fenomeni fisici “esotici” e solitamente inaccessibili, come la creazione di strutture topologiche (particolari strutture matematiche), oppure di gas quantistici degeneri ad alto spin o ancora di future applicazioni, quali sensori quantistici per realizzare il più piccolo campo magnetico esistente.