SIMULATORE QUANTISTICO CON UN GAS DI FERMI

Profumo di magnetismo

Particelle che passano in un millisecondo dal non interagire in alcun modo all’interagire con forza l’una con l’altra. Questo e altri comportamenti quantistici sono descritti e indagati in uno studio, uscito su Science, basato sull’osservazione di atomi a temperatura prossima allo zero assoluto

La trappola per atomi ultrafreddi del laboratorio di Toronto. Crediti: Denzil Green / Canadian Institute for Advanced Research

La trappola per atomi ultrafreddi del laboratorio di Toronto. Crediti: Denzil Green / Canadian Institute for Advanced Research

Volevano studiare i fermioni. Che è come dire tutto e niente, visto che sono fermioni tutte le particelle con spin semi-intero (più o meno un mezzo) che conosciamo: dagli elettroni ai quark, insomma, rispettive antiparticelle comprese. In particolare, avrebbero voluto indagare alcuni fenomeni quantistici tipici dei fermioni elementari, quali per esempio la capacità di auto-organizzarsi degli elettroni in alcuni materiali superconduttori. Ma poiché gli elettroni, soprattutto nei superconduttori, scappano da tutte le parti troppo rapidamente per poterli studiare con attenzione, gli è toccato ripiegare su qualcosa di analogo: atomi in un gas portato a pressione bassissima e a temperatura inferiore al milionesimo di grado sopra lo zero assoluto, vale a dire miliardi di volte più freddo dell’aria.

Teatro dell’esperimento, o meglio della simulazione, l’Ultracold Atoms Lab dell’Università di Toronto in Canada. Dove è disponibile una sofisticata “trappola per atomi”, in grado di mantenerli perfettamente isolati dalla temperatura e dalla pressione dell’ambiente circostante. Sospesi nel vuoto in bilico su fasci di raggi laser, gli atomi ultrafreddi possono così essere manipolati tramite campi magnetici. Manipolati come? Per esempio, orientandoli tutti nella stessa direzione, come tanti microscopici magnetini, e imponendo loro un determinato spin grazie a un effetto – noto come echo spin – utilizzato anche per le comuni risonanze magnetiche.

Tramite questi strumenti di tortura per particelle, il team di fisici guidato da Alma Bardon, dottoranda, e dal responsabile del laboratorio, Joseph Thywissen, è riuscito a torcere l’orientamento degli atomi fino a disporli lungo le linee immaginarie d’un cavatappi, per poi lasciarli liberi di ridisporsi come preferivano. Misurando, nel corso di queste manipolazioni, l’intensità dell’interazione fra gli atomi, i ricercatori hanno avuto modo d’osservare un balzo repentino – nell’arco di pochi millisecondi – da uno stato di non interazione a uno d’interazione fortissima. Come giustificare un simile cambiamento? Secondo il team di Thywissen, qualcosa doveva aver alterato il magnetismo degli atomi.

E quel qualcosa, hanno poi scoperto, è una forma di “diffusione”, un processo analogo a quanto avviene quando gli effluvi d’un profumo riempiono un ambiente. «Se apro una boccetta di profumo in un angolo d’una stanza», dice Thywissen, «occorre po’ di tempo affinché le particelle arrivino a diffondersi fino all’angolo opposto. Si scontrano con altre particelle che trovano lungo il tragitto, ma alla fine arrivano. E com’è facile immaginare, più particelle urtano, più lenta sarà la diffusione».

Ebbene, portando la temperatura vicino allo zero assoluto, i ricercatori hanno provato a rallentare questo processo di diffusione fino a bloccarlo. Ma così facendo si sono accorti che, oltre una certa soglia, la velocità della diffusione smette di diminuire, come se esistesse un limite inferiore invalicabile. «Ciò che è emerso dalle nostre misure è una sorta di vincolo di diffusività», spiega Thywissen, «di semplicità matematica emozionante: suggerisce l’esistenza di un principio universale sul trasporto dello spin ancora in attesa di essere scoperto».

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