Una nuova ricerca condotta presso l'Università di Chicago ha confermato una teoria vecchia di decenni che descrive la dinamica delle transizioni di fase continue.

Le scoperte, pubblicato nel numero del 4 novembre di Scienza , fornire la prima chiara dimostrazione del meccanismo di Kibble-Zurek per una transizione di fase quantistica sia nello spazio che nel tempo. Il prof. Cheng Chin e il suo team di fisici dell'UChicago hanno osservato la transizione negli atomi di cesio gassoso a temperature prossime allo zero assoluto.

In una fase di transizione, la materia cambia forma e proprietà come nelle transizioni da solido a liquido (ad esempio, ghiaccio in acqua) o da liquido a gas (ad esempio, acqua per Ferro da stiro). Queste sono note come transizioni di fase del primo ordine.

Un continuo passaggio di fase, o transizione del secondo ordine, forma difetti, come muri di dominio, stringhe e trame cosmiche, dove parte della materia è bloccata tra regioni in stati distinti. Il meccanismo di Kibble-Zurek prevede come tali difetti e strutture complesse si formeranno nello spazio e nel tempo quando un sistema fisico attraversa una transizione di fase continua. Esempi di transizioni di fase continue includono la rottura spontanea della simmetria nell'universo primordiale e, nel caso dell'esperimento del gruppo di Chin, una transizione di fase ferromagnetica negli atomi di cesio gassoso.

"Studiamo le transizioni di fase perché è una delle domande più fondamentali che ci lascia perplessi, " disse Mento, un coautore del documento. "Qual è l'origine della complessa struttura dell'universo, come emergono le imperfezioni e come i materiali identici sviluppano proprietà distinte nel tempo?"

Cosmologi che studiano l'origine, Evoluzione, anche la struttura e il futuro dell'universo ponderano le transizioni di fase nel materiale perché informano la loro comprensione di ciò che è accaduto nel corso della storia dell'universo, in particolare durante la sua formazione.

"Ciò che impariamo dai test KZM nel nostro sistema non riguarda l'origine dell'universo, " Chin ha detto. "Piuttosto si tratta di come la struttura complessa si sviluppa attraverso una transizione. Sono due domande diverse ma collegate. Puoi chiedere:"Da dove viene la neve?" o 'Perché i fiocchi di neve hanno una bellissima struttura cristallina?' La nostra indagine è più sulla seconda domanda".

I risultati dell'esperimento possono essere applicati a molti sistemi, come i cristalli liquidi, elio superfluido o persino membrane cellulari, che attraversano transizioni di fase continue simili. "Tutti dovrebbero condividere la stessa simmetria di scala spazio-temporale che abbiamo visto qui, " ha detto Logan Clark, uno studente di dottorato in fisica all'Università di Chicago e primo autore dell'articolo.

Nell'esperimento, un vapore di atomi di cesio è stato raffreddato mediante raggi laser, creando così un gas di cesio quantistico. Ulteriori raggi laser sono stati utilizzati per creare un reticolo ottico che allineasse gli atomi di gas secondo schemi. Le onde sonore sono state usate per scuotere il reticolo ottico e guidare gli atomi attraverso un continuo, transizione di fase quantistica ferromagnetica. Ciò li ha portati a dividersi in diversi domini con slancio positivo o negativo. I ricercatori hanno scoperto che la struttura dei domini risultanti era coerente con quanto previsto dal meccanismo di Kibble-Zurek.

"Il gas quantistico che attraversa la transizione di fase nel reticolo ottico nel nostro esperimento è analogo all'intero universo primordiale che attraversa una transizione di fase, "Clark ha detto. "Qualsiasi sistema sottoposto a una transizione di fase continua dovrebbe condividere le proprietà che abbiamo visto nel nostro esperimento".

I modelli che si sono formati dipendevano dalla velocità con cui la quantità di scuotimento veniva aumentata, disse Lei Feng, uno studente di dottorato in fisica all'Università di Chicago e coautore del documento. "Più velocemente l'agitazione è stata aumentata, più piccoli sono i domini. La quantità di moto degli atomi nelle diverse regioni del fluido era visibile al microscopio, così abbiamo potuto vedere quanto erano grandi i domini e contare il numero di difetti tra di loro."

Erich Mueller, professore di fisica alla Cornell University che ha familiarità con la ricerca, descrisse i risultati come "una notevole dimostrazione dell'universalità della fisica".

"La stessa teoria che viene utilizzata per spiegare la formazione della struttura nell'universo primordiale spiega anche la formazione della struttura nei gas freddi" utilizzati nei loro esperimenti, disse Mueller, che non hanno partecipato allo studio.

Il lavoro contribuisce alla comprensione fondamentale della fisica, disse il mento. "Mentre i cosmologi stanno ancora cercando prove del meccanismo di Kibble-Zurek, il nostro team lo ha effettivamente visto nel nostro laboratorio in campioni di atomi a temperature estremamente basse.

"Siamo sulla strada giusta per indagare su altri intriganti fenomeni cosmologici, non solo con un telescopio, ma anche con un microscopio, " ha concluso.