Stati quantistici complessi visti al microscopio
Prime immagini di singoli atomi in libertà, grazie alla microscopia con risoluzione atomica. Nei laboratori del Massachusetts Institute of Technology sono state catturate per la prima volta immagini di singoli atomi che interagiscono liberamente nello spazio. Queste immagini mostrano correlazioni tra particelle libere, previste dalla teoria ma mai osservate direttamente, offrendo una nuova finestra sui fenomeni quantistici. I fisici del Massachusetts Institute of Technology (Mit) hanno catturato per la prima volta immagini di singoli atomi che interagiscono liberamente nello spazio. Queste immagini mostrano correlazioni tra particelle libere, previste dalla teoria ma mai osservate direttamente, offrendo una nuova finestra sui fenomeni quantistici.
Utilizzando la microscopia con risoluzione a singolo atomo, i gas quantistici ultrafreddi composti da due tipi di atomi mostrano correlazioni spaziali nettamente diverse: i bosoni a sinistra mostrano un raggruppamento, mentre i fermioni a destra presentano un comportamento di anti-raggruppamento. Crediti: Sampson Wilcox Il risultato, pubblicato su Physical Review Letters, è stato possibile grazie all’impiego di una tecnica innovativa – sviluppata dai ricercatori stessi – nella quale una nuvola di atomi viene lasciata libera di muoversi, poi congelata per un istante grazie a un reticolo di luce. Un laser illumina gli atomi sospesi, rivelandone la posizione precisa. Questo approccio, noto come microscopia con risoluzione atomica, consente di visualizzare singoli atomi e le loro interazioni. Un atomo misura circa un decimo di nanometro, ossia è un milione di volte più piccolo dello spessore di un capello, ed è governato dalle leggi della meccanica quantistica, che ne rendono difficile la localizzazione esatta. Le tecniche convenzionali mostrano l’intera nuvola di atomi, ma non i singoli componenti. Come spiega il fisico Martin Zwierlein, «è come vedere una nuvola nel cielo, ma non le singole gocce». Usando questa tecnica, i ricercatori hanno osservato direttamente bosoni e fermioni mentre interagivano nello spazio libero, un passo cruciale per comprendere fenomeni come la superconduttività. In particolare, Zwierlein e colleghi hanno fotografato per la prima volta una nube di bosoni composta da atomi di sodio. A basse temperature, una nube di bosoni forma il cosiddetto condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia in cui tutti i bosoni condividono lo stesso stato quantico. Ketterle del Mit è stato uno dei primi a produrre un condensato di Bose-Einstein, di atomi di sodio, per il quale ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 2001. Il gruppo di Zwierlein è riuscito a “fotografare” i singoli atomi di sodio all’interno della nube e a osservare le loro interazioni quantistiche. Da tempo si prevede che i bosoni si “raggruppino” tra loro, avendo una maggiore probabilità di trovarsi l’uno vicino all’altro. Questo raggruppamento è una conseguenza diretta della loro capacità di condividere la stessa onda di de Broglie. Tale carattere ondulatorio è stato previsto per la prima volta dal fisico Louis de Broglie, che in parte ha dato il via alla meccanica quantistica moderna. Il team ha anche fotografato una nuvola composta da due diversi tipi di atomi di litio. Ciascun tipo è un fermione, e come tali, i fermioni tendono naturalmente a respingersi. Tuttavia, alcuni fermioni possono interagire fortemente con altri di tipo diverso. Durante l’acquisizione delle immagini, i ricercatori hanno osservato che i due tipi di fermioni interagivano tra loro e formavano coppie, un meccanismo noto da tempo in teoria, ma mai osservato direttamente fino a ora. Secondo i ricercatori, queste immagini rendono visibili concetti finora solo teorici. In futuro, la tecnica potrebbe permettere di esplorare stati quantistici ancora più complessi, come quelli dell’effetto Hall quantistico, tuttora poco compresi. Per saperne di più: Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Measuring Pair Correlations in Bose and Fermi Gases via Atom-Resolved Microscopy” di Ruixiao Yao, Sungjae Chi, Mingxuan Wang, Richard J. Fletcher e Martin Zwierlein Read the full article