Vista artistica di una gocciolina liquida quantistica formata dalla miscelazione di due gas di atomi di potassio ultrafreddi. Credito:ICFO/ Povarchik Studios Barcellona
I ricercatori dell'ICFO hanno creato un nuovo tipo di liquido 100 milioni di volte più diluito dell'acqua e 1 milione di volte più sottile dell'aria. Gli esperimenti, pubblicato in Scienza , sfruttare un affascinante effetto quantistico per produrre goccioline di questa fase esotica della materia.
Liquidi e gas sono due diverse fasi della materia. Mentre i gas sono diluiti, comprimibili e prendere le dimensioni del loro contenitore, i liquidi sono densi, avere un volume fisso e, in piccole quantità, formare goccioline. Questi sono insiemi di particelle che rimangono legate da sole, e hanno una superficie libera che li separa dall'ambiente. Aumentando la temperatura, è possibile indurre una transizione di fase tra liquido e gas. Questo è ciò che accade quando si fa bollire l'acqua in una padella.
Ma i gas sono sempre diluiti e i liquidi sempre densi? Sebbene in condizioni normali la risposta a questa domanda sia sì, le cose possono diventare molto diverse a temperature ultra-basse. In un recente studio pubblicato su Scienza , I ricercatori dell'ICFO hanno creato un liquido 100 milioni di volte più diluito dell'acqua e 1 milione di volte più sottile dell'aria.
Il team ha raffreddato un gas di atomi di potassio a -273,15 gradi Celsius, molto vicino allo zero assoluto. Nonostante a queste temperature, gli atomi si comportano come onde e seguono le regole della meccanica quantistica, conservano ancora una proprietà intrinseca di un gas:si espandono in assenza di contenimento. In contrasto, quando due di questi gas si mescolano e si attraggono, gli atomi invece formano goccioline liquide. Cesare Cabrera, primo autore dello studio, dice, "In molti aspetti, le nostre goccioline di potassio sono molto simili a quelle dell'acqua:hanno dimensioni e forma proprie, indipendentemente da dove li mettiamo, ma sono molto più fredde e le loro proprietà sono quantiche."
Una miscela di due gas ultrafreddi che si attraggono può formare un liquido ultradiluito, che rimane autolegato in una gocciolina anche in assenza di confinamento. Credito:ICFO
Infatti, l'esistenza di queste goccioline liquide è interamente dovuta alle fluttuazioni quantistiche, un affascinante effetto quantistico intrinseco. Per di più, grazie alla meccanica quantistica, gli atomi che formano una gocciolina non possono rimanere completamente a riposo al suo interno. Questo è proibito dal principio di indeterminazione di Heisenberg. Rimangono così in perpetuo movimento, portando a una pressione quantica che rende instabili goccioline molto piccole e le fa evaporare in un gas in espansione. La prof.ssa Leticia Tarruell dice, "Queste goccioline sono affascinanti oggetti macroscopici:anche se sono composte da migliaia di particelle, il loro comportamento è ancora completamente determinato da fluttuazioni e correlazioni quantistiche. Osservando la transizione di fase tra liquido e gas, misuriamo in modo molto preciso questi sorprendenti effetti quantistici".
La combinazione unica di diluizione e "quantità" rende le goccioline liquide quantistiche un banco di prova ideale per comprendere meglio i sistemi quantistici costituiti da molte particelle interagenti, e comprendono le caratteristiche che condividono con l'elio liquido, stelle di neutroni o altri materiali complessi.
