Un team di ricerca internazionale guidato da realtà scientifiche italiane ha messo a punto una nuova tecnica per indagare il comportamento della materia quantistica in condizioni estreme, sfruttando la propagazione delle onde sonore. Lo studio, che coinvolge il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (LENS), l’Istituto nazionale di ottica del CNR di Sesto Fiorentino e le Università di Firenze, Trieste e Trento, è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Physics. La metodologia sviluppata dai ricercatori si basa su un fenomeno noto a tutti: l’effetto Doppler. È lo stesso principio che fa cambiare il tono della sirena di un’ambulanza quando il mezzo si avvicina e poi si allontana. La frequenza del suono percepito, infatti, varia in relazione al movimento della sorgente rispetto all’osservatore.
Applicando questo effetto allo studio della materia quantistica, gli scienziati hanno creato un nuovo strumento di osservazione capace di analizzare sistemi complessi in condizioni difficili da esplorare con le tecniche tradizionali. La propagazione delle onde sonore diventa così una sorta di “sonda” per comprendere le proprietà più profonde della materia quando viene sottoposta a condizioni estreme. Il risultato apre nuove prospettive nella ricerca sulla fisica quantistica, offrendo un metodo innovativo per studiare fenomeni finora difficilmente accessibili e contribuendo alla comprensione dei comportamenti collettivi della materia su scala microscopica.
“Allo stesso modo, il suono che si propaga in un superfluido in rotazione cambia a seconda che si muova nella stessa direzione od opposta rispetto al superfluido: grazie a queste minuscole variazioni che il team è riuscito a svelare la struttura interna nei gas di Fermi superfluidi, sistemi costituiti da atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. In tali condizioni, le particelle di Fermi si accoppiano dando origine alla superfluidità, uno stato della materia in cui scompare l’attrito”, spiegano Marcia Fròmeta Fernandez e Diego Hernandez-Rajkov, ricercatori Cnr-Ino e principali autori del lavoro. “Abbiamo creato un superfluido di Fermi a forma di anello, in cui onde sonore si propagano simultaneamente in direzioni opposte. Quando viene messo in rotazione, le onde sonore risentono in modo diverso del flusso, accumulando una piccolissima differenza di frequenza: l’effetto Doppler”.
Misurando questo effetto con estrema precisione, “si è dimostrato che la circolazione del superfluido nell’anello non può assumere valori arbitrari, ma solo valori quantizzati (cioè discreti), determinati dal rapporto tra la costante di Planck e la massa delle particelle. In questo caso, tali valori risultano dimezzati rispetto a quelli previsti per particelle singole”, chiarisce Francesco Scazza, docente di fisica della materia dell’Università di Trieste. “La nostra osservazione dimostra che il superfluido è costituito da fermioni che si accoppiano due a due, formando unità quantistiche composite di massa doppia, le cosiddette coppie di Cooper, analogamente a quanto avviene nei superconduttori. Il risultato conferma che, anche in questi sistemi gassosi ultrafreddi, la superfluidità nasce dalla formazione di coppie di fermioni”, conclude Giacomo Roati, dirigente di ricerca Cnr-Ino e responsabile del gruppo sperimentale.
Lo studio conferma le potenzialità dell’interferometria atomica, una tecnica che sfrutta le proprietà ondulatorie degli atomi per effettuare misure di elevatissima precisione. In questo lavoro, la tecnica è stata implementata utilizzando onde sonore nel superfluido, dimostrandosi un efficace strumento per indagare sistemi quantistici fortemente correlati. Tra i primi risultati ottenuti vi è l’osservazione della progressiva riduzione della superfluidità con l’aumento della temperatura. “Si apre una nuova strada per studiare il comportamento collettivo delle particelle e approfondire la comprensione dei meccanismi alla base della superfluidità e della superconduttività, di dinamiche della materia quantistica ancora misteriose e di fondamentale importanza per le moderne tecnologie quantistiche”, concludono Massimo Inguscio (LENS) e Sandro Stringari (Pitaevskii BEC Center Università di Trento), protagonisti di sviluppi della fisica atomica dalla cui sinergia nasce il lavoro svolto presso il laboratorio del Lens. Che arriva nell’anno del centenario della formulazione della statistica ideata da Enrico Fermi nel 1926 sulle colline di Arcetri, presso l’Università di Firenze, per descrivere il comportamento di particelle come elettroni, protoni e neutroni.
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