Figura 1:Profilo di densità di due componenti superfluidi che si mescolano (a sinistra) o non si mescolano (a destra). In un superfluido rotante con due componenti miscibili, o miscelabile, la materia sarà distribuita uniformemente all'interno del contenitore a forma di ciambella. Questo è lo stesso profilo di densità visto in una rotazione, superfluido monocomponente. Quando i due componenti sono immiscibili, o non miscelabile, si separeranno l'uno dall'altro e formeranno due ciuffi a semicerchio sui lati opposti. Credito:Okinawa Institute of Science and Technology
Il mondo quantistico è allo stesso tempo elegante e misterioso. È una sfera dell'esistenza in cui le leggi della fisica sperimentate nella vita quotidiana vengono infrante:le particelle possono esistere in due posti contemporaneamente, possono reagire l'un l'altro a grandi distanze, ed essi stessi sembrano confusi sul fatto che siano particelle o onde. Per chi non opera nel settore, questo mondo può sembrare insignificante, ma recentemente, i ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno teoricamente descritto due stati quantistici straordinari sia nella fisica che li definiscono sia nel loro fascino visivo:un complesso sistema quantistico che simula la fisica classica e uno stato affascinante simile a una collana . Il loro studio è pubblicato sulla rivista Revisione fisica A .
La ricerca di questi stati inizia con una ciambella, o piuttosto, un contenitore a forma di ciambella che ospita un superfluido rotante. Questo superfluido, che è un fluido che si muove senza attrito, è costituito da condensati di Bose-Einstein (BEC) comprendenti particelle prive di carica che vengono raffreddate a quasi zero gradi kelvin, una temperatura così fredda, che non esiste nell'universo al di fuori dei laboratori. A questa temperatura, le particelle iniziano a mostrare strane proprietà:si aggregano, e alla fine diventano indistinguibili l'uno dall'altro. In effetti, diventano una singola entità e quindi si muovono come uno.
Poiché questo vorticoso superfluido BEC opera su scala quantistica, dove regnano le distanze minuscole e le basse temperature, le caratteristiche fisiche della sua rotazione non sono quelle viste nel mondo classico. Considera un padre che fa oscillare sua figlia in cerchio per le braccia. La fisica classica impone che le gambe del bambino si muovano più velocemente delle sue mani intorno al cerchio, poiché le sue gambe devono viaggiare più lontano per fare un giro completo.
Nel mondo della fisica quantistica la relazione è opposta. "In un superfluido... le cose che sono molto lontane [dal centro] si muovono molto lentamente, mentre le cose [che] sono vicine al centro si muovono molto velocemente, " spiega il professor Thomas Busch dell'OIST, uno dei ricercatori coinvolti nello studio. Questo è ciò che sta accadendo nella ciambella superfluida.
Inoltre, il superfluido all'interno della ciambella mostra un profilo di densità uniforme, il che significa che è distribuito uniformemente intorno alla ciambella. Questo sarebbe lo stesso per la maggior parte dei liquidi che ruotano secondo regole classiche o quantistiche. Ma cosa succede se viene aggiunto un altro tipo di BEC, uno che è fatto da una specie atomica diversa e che non può mescolarsi con il BEC originale? Come olio e acqua, i due componenti si separeranno in modo da ridurre al minimo l'area in cui si toccano e formeranno due semicerchi sui lati opposti del contenitore della ciambella.
Figura 2:Diverse versioni della collana quantistica ultrafredda. Il numero di perle nella collana quantistica dipende dalla forza dell'accoppiamento spin-orbita. Un accoppiamento più forte produce più perle, e il numero deve essere sempre dispari.
"Il confine più breve [tra i componenti] è nella direzione radiale, "Dott.ssa Angela White, primo autore dello studio, spiega. I due componenti si separano in diverse metà della ciambella lungo questo confine, che viene creato passando attraverso il raggio della ciambella. In questa configurazione, useranno meno energia per rimanere separati di quanto farebbero con qualsiasi altro.
Nell'immiscibile, o non miscelabile, configurazione mostrata in Figura 1, il mondo quantistico sorprende. Poiché il confine tra i due superfluidi deve rimanere allineato lungo la direzione radiale, il superfluido presente a questo confine deve ruotare come un oggetto classico. Questo accade per mantenere quello stato di bassa energia. Se al confine i superfluidi continuassero a ruotare più velocemente all'interno, allora i due semicerchi inizierebbero a torcersi, allungando la linea che li separa, e quindi richiedono più energia per rimanere separati. Il risultato è una sorta di mimetismo della fisica classica, dove il sistema sembra saltare nel regno classico, facilitato dal complesso comportamento della meccanica quantistica.
In questa fase, la ciambella superfluida ha raggiunto il suo primo stato straordinario che imita la rotazione classica. Ma c'è un altro passo necessario per trasformare questo sistema già sbalorditivo nell'obiettivo finale della collana:l'accoppiamento rotazione-orbita.
"In modo molto astratto, [lo spin è] solo una cosa che ha due possibili stati, "Spiega Busch. "Può essere così o può essere così." Per questo esperimento, che coinvolge particelle prive di carica, o nessuna rotazione, i ricercatori hanno "finto" uno spin assegnando una proprietà "questo o quello" alle loro particelle.
Quando si accoppiano le particelle in base a questa proprietà, i due semicerchi all'interno della ciambella si rompono in più parti alternate, formando così la configurazione della collana (Figura 2). Scavando ulteriormente nella sua composizione, i ricercatori hanno scoperto che il numero di "perle" nella collana dipende dalla forza dell'accoppiamento spin-orbita e, più sorprendentemente, che ci deve essere sempre un numero dispari di queste perle.
I ricercatori hanno già previsto collane quantistiche, ma si sapeva che erano instabili, che si espandevano o si dissipavano nell'oblio solo poco tempo dopo essere stati creati. In questo modello teorico, i ricercatori dell'OIST credono di aver trovato un modo per creare una collana stabile, uno che avrebbe concesso più tempo per studiarlo e apprezzarne la raffinata maestosità.
