Il fenomeno della metastabilità, in cui un sistema si trova in uno stato stabile ma non di minor energia, è ampiamente osservato in natura e tecnologia. Ancora, rimangono inesplorati molti aspetti alla base dei meccanismi che regolano il comportamento e la dinamica di tali sistemi. I fisici dell'ETH di Zurigo hanno ora dimostrato una piattaforma promettente per studiare la metastabilità a un livello fondamentale, utilizzando un gas squisitamente ben controllato costituito da poche decine di migliaia di atomi.

Gli esempi includono la neve su un pendio a riposo per giorni prima di una valanga, o legami in macromolecole che cambiano drasticamente dopo un'attivazione appropriata:tali sistemi risiedono per lunghi periodi di tempo in uno stato prima di passare rapidamente a un altro più energeticamente favorevole. Diversi aspetti della metastabilità sono ben compresi, ma in particolare, le dinamiche di passaggio da uno stato all'altro rimangono sconosciute, poiché sono disponibili pochi strumenti per monitorare direttamente tali processi.

Lorenz Hruby e i suoi colleghi del gruppo di Tilman Esslinger presso l'Institute for Quantum Electronics hanno affrontato il problema a un livello molto fondamentale, come riportano in un documento che è stato pubblicato questa settimana online nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Hanno creato stati metastabili in un sistema quantistico artificiale a molti corpi, un gas atomico le cui proprietà quantistiche fondamentali sono note con precisione e il cui comportamento è possibile controllare con elevata precisione e flessibilità. In questo sistema Hruby et al. osservato due stati metastabili caratterizzati da come sono ordinati gli atomi, ricorda strutture distinte che le macromolecole possono adottare. È importante sottolineare che hanno monitorato con successo in tempo reale come il gas è passato tra questi due stati. Hanno scoperto che durante il processo di commutazione, diverse migliaia di atomi si muovono attraverso il tunneling quantistico sulla scala temporale in cui le singole particelle cambiano la loro posizione.

Come l'innesco di quella "valanga in galleria, " il team ha identificato i processi sulla superficie del gas atomico. Confrontando le osservazioni sperimentali con un modello teorico, hanno determinato che la scala temporale di commutazione è impostata dalle interazioni tra gli atomi stessi, piuttosto che da parametri di controllo esterni. Al centro di quel processo c'era la capacità dei ricercatori di far interagire gli atomi simultaneamente sia su brevi (atomo-atomo) che su lunghe distanze. Ciò consente alle particelle di impegnarsi in un'interazione complessa che dà origine a proprietà intriganti in un'ampia varietà di materiali e, allo stesso tempo, per accoppiare la superficie del sistema al suo nucleo.

Lo studio fornisce approfondimenti fondamentali sugli stati metastabili della materia e sui processi per passare da uno all'altro. L'alto grado di controllo dimostrato in questi esperimenti, insieme alla possibilità di confrontare i risultati sperimentali con modelli teorici, potrebbe fornire una piattaforma versatile per studiare le dinamiche degli stati metastabili e dei processi correlati con dettagli senza precedenti.