Una nuova ricerca dei fisici dell'Università di Chicago risolve un disaccordo di vecchia data sulla formazione di particelle quantistiche esotiche note come molecole di Efimov.

Le scoperte, pubblicato il mese scorso in Fisica della natura , affrontare le differenze tra il modo in cui i teorici affermano che dovrebbero formarsi le molecole di Efimov e il modo in cui i ricercatori affermano che si sono formate negli esperimenti. Lo studio ha scoperto che la semplice immagine formulata dagli scienziati sulla base di quasi 10 anni di sperimentazione era sbagliata, un risultato che ha implicazioni per capire come si sono formate le prime molecole complesse nell'universo primordiale e come sono nati materiali complessi.

Le molecole di Efimov sono oggetti quantistici formati da tre particelle che si legano insieme quando due particelle non sono in grado di farlo. Le stesse tre particelle possono formare molecole in una gamma infinita di dimensioni, a seconda della forza delle interazioni tra di loro.

Gli esperimenti avevano mostrato che la dimensione di una molecola di Efimov era approssimativamente proporzionale alla dimensione degli atomi che la compongono, una proprietà che i fisici chiamano universalità.

"Questa ipotesi è stata verificata e ricontrollata più volte negli ultimi 10 anni, e quasi tutti gli esperimenti hanno suggerito che questo è davvero il caso, " disse Cheng Chin, un professore di fisica all'UChicago, che guida il laboratorio in cui sono state fatte le nuove scoperte. "Ma alcuni teorici dicono che il mondo reale è più complicato di questa semplice formula. Dovrebbero esserci altri fattori che romperanno questa universalità".

Le nuove scoperte si collocano da qualche parte tra le precedenti scoperte sperimentali e le previsioni dei teorici. Contraddicono entrambi ed eliminano l'idea di universalità.

"Devo dire che sono sorpreso, " Chin ha detto. "Questo è stato un esperimento in cui non ho previsto il risultato prima di ottenere i dati".

I dati provenivano da esperimenti estremamente sensibili condotti con atomi di cesio e litio utilizzando tecniche ideate da Jacob Johansen, in precedenza uno studente laureato nel laboratorio di Chin, che ora è un borsista post-dottorato presso la Northwestern University. Krutik Patel, uno studente laureato presso UChicago, e Brian De Salvo, un ricercatore post-dottorato presso UChicago, anche contribuito al lavoro.

"Volevamo poter dire una volta per tutte che se non vedessimo alcuna dipendenza da queste altre proprietà, allora c'è davvero qualcosa di seriamente sbagliato nella teoria, " ha detto Johansen. "Se vedessimo la dipendenza, allora stiamo assistendo al crollo di questa universalità. Si sente sempre bene, come scienziato, per risolvere questo tipo di domande."

Sviluppare nuove tecniche

Le molecole di Efimov sono tenute insieme da forze quantistiche piuttosto che dai legami chimici che legano insieme molecole familiari come l'H2O. Gli atomi sono così debolmente connessi che le molecole non possono esistere in condizioni normali. Calore in una stanza che fornisce energia sufficiente per rompere i loro legami.

Gli esperimenti sulla molecola di Efimov sono stati condotti a temperature estremamente basse - 50 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto - e sotto l'influenza di un forte campo magnetico, che viene utilizzato per controllare l'interazione degli atomi. Quando l'intensità del campo è in un particolare, gamma ristretta, l'interazione tra gli atomi si intensifica e le molecole si formano. Analizzando le precise condizioni in cui avviene la formazione, gli scienziati possono dedurre la dimensione delle molecole.

Ma controllare il campo magnetico con una precisione sufficiente per effettuare le misurazioni che Johansen ha cercato è estremamente difficile. Anche il calore generato dalla corrente elettrica usata per creare il campo era sufficiente per cambiare quel campo, rendendo difficile la riproduzione negli esperimenti. Il campo poteva fluttuare a un livello di solo una parte su un milione, mille volte più debole del campo magnetico terrestre, e Johansen doveva stabilizzarlo e monitorare come cambiava nel tempo.

La chiave era una tecnica da lui sviluppata per sondare il campo usando l'elettronica a microonde e gli atomi stessi.

"Considero quello che Jacob ha fatto un tour de force, " Ha detto Chin. "Può controllare il campo con una precisione così elevata ed eseguire misurazioni molto precise sulla dimensione di queste molecole di Efimov e per la prima volta i dati confermano davvero che c'è una deviazione significativa dell'universalità".

Le nuove scoperte hanno importanti implicazioni per comprendere lo sviluppo della complessità nei materiali. I materiali normali hanno proprietà diverse, che non sarebbe potuto sorgere se il loro comportamento a livello quantistico fosse stato identico. Il sistema Efimov a tre corpi mette gli scienziati proprio nel punto in cui il comportamento universale scompare.

"Qualsiasi sistema quantistico fatto con tre o più particelle è molto, problema molto difficile, " Chin ha detto. "Solo di recente abbiamo davvero la capacità di testare la teoria e comprendere la natura di tali molecole. Stiamo facendo progressi verso la comprensione di questi piccoli ammassi quantistici. Questo sarà un elemento fondamentale per comprendere materiale più complesso".