Spingendo delicatamente una nuvola vorticosa di atomi di litio superraffreddati con un paio di laser, e osservando la risposta degli atomi, i ricercatori di Swinburne hanno sviluppato un nuovo modo per sondare le proprietà dei materiali quantistici.

Materiali quantistici:una famiglia che include superfluidi, superconduttori, magneti esotici, atomi ultrafreddi e "isolatori topologici" scoperti di recente, mostrano su larga scala alcuni dei notevoli effetti quantistici solitamente associati alle particelle microscopiche e subatomiche.

Ma, mentre la meccanica quantistica spiega il comportamento delle particelle microscopiche, applicare la teoria quantistica a sistemi più grandi è molto più impegnativo.

"Mentre il potenziale dei materiali quantistici, come i superconduttori, è innegabile, dobbiamo comprendere appieno la fisica quantistica sottostante in gioco in questi sistemi per stabilire le loro vere capacità, " dice Chris Vale, Professore Associato presso il Center for Quantum and Optical Science, che ha condotto la ricerca. "Questa è una grande parte della motivazione per quello che facciamo."

Professore Associato Vale e i suoi colleghi, tra cui Sascha Hoinka e Paul Dyke, anche a Swinburne, sviluppato un nuovo modo di esplorare il comportamento di questa famiglia di materiali. Hanno rilevato quando un "gas di Fermi" di atomi di litio, un semplice materiale quantistico, entrato in uno stato quantistico 'superfluido'.

Il nuovo sistema controlla le teorie rispetto all'esperimento

Il loro sistema consente di verificare con precisione le teorie della superconduttività e dei relativi effetti quantistici rispetto all'esperimento, per vedere se le teorie sono accurate e come potrebbero essere perfezionate.

Il progresso dei ricercatori si è basato sul fatto che le proprietà speciali dei materiali quantistici emergono quando le loro particelle costituenti entrano in uno stato sincronizzato. Il flusso di elettroni a resistenza zero attraverso i superconduttori, Per esempio, emerge quando gli elettroni possono unirsi per formare "coppie Cooper".

La sofisticata configurazione sperimentale del team ha permesso di rilevare questo comportamento quantistico coordinato. Mettendo a punto l'interazione dei loro laser con il gas di Fermi, Il Professore Associato Vale e i suoi colleghi sono stati per la prima volta in grado di rilevare l'inafferrabile, modalità Goldstone a bassa energia, un'eccitazione che appare solo nei sistemi che sono entrati in uno stato quantistico sincronizzato.

"Poiché il nostro esperimento fornisce un ambiente ben controllato e l'aspetto della modalità Goldstone è molto chiaro, le nostre misurazioni forniscono un punto di riferimento rispetto al quale le teorie quantistiche possono essere testate prima di essere applicate a sistemi più complessi come i superconduttori, "dice il Professore Associato Vale.

"Sviluppando metodi per comprendere i grandi sistemi che si comportano meccanicamente quantistica, stiamo costruendo la base di conoscenze che sosterrà le future tecnologie quantistiche".

La ricerca del team è stata pubblicata sulla rivista online Fisica della natura .