I fisici del MIT hanno creato una nuova forma di materia, un supersolido, che combina le proprietà dei solidi con quelle dei superfluidi.

Usando i laser per manipolare un gas superfluido noto come condensato di Bose-Einstein, il team è stato in grado di indurre il condensato in una fase quantistica della materia che ha una struttura rigida, come un solido, e può fluire senza viscosità, una caratteristica chiave di un superfluido. Gli studi su questa fase apparentemente contraddittoria della materia potrebbero fornire intuizioni più profonde su superfluidi e superconduttori, che sono importanti per il miglioramento di tecnologie come magneti e sensori superconduttori, così come il trasporto efficiente di energia. I ricercatori riportano i loro risultati questa settimana sulla rivista Natura .

"È controintuitivo avere un materiale che unisce superfluidità e solidità, " dice il capo squadra Wolfgang Ketterle, il John D. MacArthur Professore di Fisica al MIT. "Se il tuo caffè fosse superfluido e lo mescoli, continuerebbe a girare per sempre."

I fisici avevano previsto la possibilità di supersolidi ma non li avevano osservati in laboratorio. Hanno teorizzato che l'elio solido potrebbe diventare superfluido se gli atomi di elio potessero muoversi in un solido cristallo di elio, diventando effettivamente un supersolido. Però, la prova sperimentale rimaneva sfuggente.

Il team ha utilizzato una combinazione di raffreddamento laser e metodi di raffreddamento evaporativo, originariamente co-sviluppato da Ketterle, raffreddare atomi di sodio a temperature nanokelvin. Gli atomi di sodio sono noti come bosoni, per il loro numero pari di nucleoni ed elettroni. Quando raffreddato vicino allo zero assoluto, i bosoni formano uno stato superfluido di gas diluito, detto condensato di Bose-Einstein, o BEC.

Ketterle ha co-scoperto i BEC, una scoperta per la quale è stato premiato con il Premio Nobel per la fisica nel 2001.

"La sfida era ora quella di aggiungere qualcosa al BEC per assicurarsi che sviluppasse una forma o una forma oltre la forma della "trappola atomica", ' che è la caratteristica distintiva di un solido, " spiega Ketterle.

Capovolgendo la rotazione, trovare le strisce

Per creare lo stato supersolido, il team ha manipolato il movimento degli atomi del BEC utilizzando raggi laser, introducendo "l'accoppiamento spin-orbita".

Nella loro camera ad altissimo vuoto, il team ha utilizzato un set iniziale di laser per convertire metà degli atomi del condensato in un diverso stato quantico, o girare, essenzialmente creando una miscela di due condensati di Bose-Einstein. Ulteriori raggi laser hanno poi trasferito atomi tra i due condensati, chiamato "spin flip".

"Questi laser extra hanno dato agli atomi 'spin-capovolti' una spinta in più per realizzare l'accoppiamento spin-orbita, "dice Ketterle.

I fisici avevano previsto che un condensato di Bose-Einstein accoppiato spin-orbita sarebbe stato un supersolido a causa di una "modulazione di densità" spontanea. Come un solido cristallino, la densità di un supersolido non è più costante e ha invece un modello ondulato o ondulato chiamato "fase a strisce".

"La parte più difficile è stata osservare questa modulazione di densità, " dice Junru Li, uno studente laureato del MIT che ha lavorato alla scoperta. Questa osservazione è stata compiuta con un altro laser, il cui raggio è stato diffratto dalla modulazione di densità. "La ricetta del supersolido è davvero semplice, "Li aggiunge, "ma è stata una grande sfida allineare con precisione tutti i raggi laser e rendere tutto stabile per osservare la fase delle strisce".

Mappare ciò che è possibile in natura

Attualmente, il supersolido esiste solo a temperature estremamente basse in condizioni di vuoto ultraelevato. Andando avanti, il team prevede di effettuare ulteriori esperimenti su supersolidi e accoppiamento spin-orbita, caratterizzando e comprendendo le proprietà della nuova forma di materia che hanno creato.

"Con i nostri atomi freddi, stiamo mappando ciò che è possibile in natura, " spiega Ketterle. "Ora che abbiamo provato sperimentalmente che le teorie che predicono i supersolidi sono corrette, speriamo di ispirare ulteriori ricerche, possibilmente con risultati imprevisti".

Diversi gruppi di ricerca stavano lavorando alla realizzazione del primo supersolido. Nello stesso numero di Natura , un gruppo in Svizzera ha segnalato un modo alternativo per trasformare un condensato di Bose-Einstein in un supersolido con l'aiuto di specchi, che ha raccolto la diffusione della luce laser da parte degli atomi. "La realizzazione simultanea da parte di due gruppi mostra quanto sia grande l'interesse per questa nuova forma di materia, "dice Ketterle.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.