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Un gruppo di fisici dell’Università di Innsbruck ha descritto un nuovo e piuttosto bizzarro stato della materia quantistica chiamato mare di Fermi frazionario, in cui atomi ultrafreddi spinti in condizioni estreme non perdono affatto la propria organizzazione. Il dato sorprendente sta proprio qui. Le particelle si trovano in uno stato altamente eccitato eppure mantengono un ordine nascosto che mette in discussione alcune teorie consolidate e lascia intravedere quasiparticelle esotiche, già ribattezzate in via scherzosa possibili «super Fermioni».
Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, porta la firma del gruppo guidato da Hanns Christoph Nägerl insieme al fisico teorico Alvise Bastianello del CNRS e dell’Université Paris Dauphine. L’idea di fondo consiste nel portare atomi di cesio ultrafreddi ben oltre le loro condizioni abituali, modificando ripetutamente l’intensità con cui si attraggono o si respingono. Invece di trasformarsi in un caos disordinato, gli atomi si riorganizzano in una configurazione insolita. Queste basi teoriche sostengono anche le recenti ricerche sperimentali condotte dal team di Nägerl presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale.
Cosa succede quando le regole quantistiche vengono forzate
In condizioni normali le particelle quantistiche seguono regole ben note su come disporsi, specialmente a temperature bassissime. Un esempio classico riguarda i fermioni, la famiglia di particelle a cui appartengono anche gli elettroni. Due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantistico e per questo riempiono i livelli energetici disponibili seguendo vincoli precisi. A temperature molto basse questa disposizione dà origine a quello che i fisici chiamano mare di Fermi.
Bastianello spiega così la domanda di partenza: «I fermioni, ad esempio, si impilano ordinatamente negli stati energetici disponibili formando il cosiddetto mare di Fermi. Ma cosa accade se si costringono atomi interagenti a passare continuamente attraverso condizioni estreme, spostandoli gradualmente da una forte repulsione reciproca a una forte attrazione?». Per scoprirlo i ricercatori hanno studiato atomi di cesio confinati in un sistema unidimensionale, dove possono muoversi lungo un’unica direzione. Un ambiente del genere permette di controllare le interazioni quantistiche con una precisione eccezionale.
I calcoli hanno rivelato qualcosa di inatteso. Partendo dallo stato fondamentale, cioè la configurazione a energia più bassa, gli atomi potevano essere portati in uno stato molto eccitato senza perdere la loro organizzazione di fondo. Il nome mare di Fermi frazionario nasce dal fatto che le particelle sembrano obbedire a una regola modificata su come vengono occupati gli stati quantistici. «Invece di riscaldare semplicemente il sistema, il ciclo di interazioni riorganizza gli atomi in un nuovo stato a molti corpi» afferma Yi Zeng, primo autore della ricerca. «Questo offre un modo controllato per esplorare la materia quantistica oltre i consueti paradigmi di equilibrio».
Un ordine nascosto che sfida la teoria
Uno degli aspetti più affascinanti del mare di Fermi frazionario è che le sue particelle restano organizzate pur trovandosi lontanissime dall’equilibrio, la condizione in cui le proprietà complessive di un sistema si stabilizzano. I sistemi spinti fuori equilibrio tendono a comportarsi in modo complicato e difficile da interpretare. Qui invece emergono schemi matematici ben riconoscibili, tra cui marcate increspature note come oscillazioni di Friedel, variazioni ondulatorie legate al modo in cui le particelle quantistiche si influenzano a vicenda. I ricercatori hanno individuato anche andamenti insoliti nel modo in cui le correlazioni tra particelle si indeboliscono con la distanza, persino quando le interazioni repulsive sono relativamente deboli.
Queste firme contano parecchio perché si discostano dalle previsioni della teoria dei liquidi di Tomonaga Luttinger, il quadro di riferimento storico per descrivere le particelle interagenti in una dimensione. «Questo stato è altamente eccitato ma non è casuale» sottolinea Nägerl. «Possiede un ordine nascosto che diventa visibile nelle sue correlazioni». Il fenomeno solleva interrogativi anche sulle quasiparticelle che emergono nel sistema, eccitazioni collettive che si comportano come singole particelle pur nascendo dal moto coordinato di molte. «Non sappiamo ancora come chiamare queste nuove quasiparticelle. Forse super Fermioni?» ha aggiunto il ricercatore.
Secondo gli autori i mari di Fermi frazionari rappresentano una fase critica esotica della materia, con correlazioni che vanno oltre le descrizioni esistenti dei sistemi unidimensionali. La scoperta mostra anche le potenzialità della simulazione quantistica, che sfrutta sistemi controllati per indagare comportamenti altrimenti difficili da riprodurre. «La scoperta dei mari di Fermi frazionari dimostra fin dove possiamo spingere la simulazione quantistica: non solo riprodurre modelli noti, ma creare e studiare stati che vanno oltre i paradigmi consolidati» ha dichiarato Nägerl. L’attuale pubblicazione definisce il quadro teorico, mentre uno studio gemello che descrive la realizzazione sperimentale tramite simulazione quantistica è attualmente in fase di revisione paritaria.
Fonte: TecnoAndroid