Esperimenti con atomi ultrafreddi presso la TU Wien hanno mostrato risultati sorprendenti:le nuvole di atomi accoppiati si sincronizzano in pochi millisecondi. Questo effetto non può essere spiegato dalle teorie standard.

Quando gli atomi vengono raffreddati a temperatura quasi zero, le loro proprietà cambiano completamente. Possono trasformarsi in un Bose-Einstein-Condensate, uno stato ultrafreddo della materia, in cui le particelle perdono la loro individualità e possono essere descritte solo collettivamente – come un singolo oggetto quantistico.

A TU Wien (Vienna), nuvole di atomi ultrafreddi sono state studiate per anni. Sono un sistema modello perfetto per studiare le questioni fondamentali della fisica quantistica a molte particelle. Ora il gruppo di ricerca del professor Jörg Schmiedmayer (Istituto di fisica atomica e subatomica, TU Wien) ha trovato risultati notevoli che non possono essere spiegati da nessuna delle teorie esistenti. Quando due gas quantistici ultrafreddi sono accoppiati, possono sincronizzarsi spontaneamente, oscillando in perfetto unisono dopo pochi millisecondi. Ciò significa che le teorie dei libri di testo sui Bose-Einstein-Condensate devono essere rivisitate. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Atomi nella trappola

"Utilizziamo un chip atomico appositamente progettato per raffreddare gli atomi e modificare le loro proprietà", dice Jörg Schmiedmayer. "Il chip può intrappolare centinaia o migliaia di atomi e manipolare le loro proprietà collettive con campi elettromagnetici".

All'inizio, una nuvola di atomi viene raffreddata a una temperatura di pochi nanokelvin. "Quindi, usando il chip atomico, creiamo una barriera, separando la nuvola in due parti", dice Marine Pigneur, primo autore dell'articolo e dottorato di ricerca. studente nella squadra di Schmiedmayer. "Se la barriera è abbastanza bassa, gli atomi possono ancora passare da un lato all'altro per un effetto chiamato tunneling quantistico. Perciò, le due nuvole atomiche non sono completamente indipendenti, sono accoppiati».

Secondo la fisica quantistica, ogni oggetto può essere descritto come un'onda. Le proprietà dell'onda non sono visibili a noi, perché gli oggetti con cui abbiamo a che fare ogni giorno sono troppo grandi e troppo caldi. Il comportamento degli atomi freddi, però, è fortemente influenzato da queste proprietà d'onda.

Una di queste proprietà è la fase, che può essere compreso confrontando l'onda quantistica con un orologio che ticchetta:"Immagina due orologi a pendolo identici", dice Jörg Schmiedmayer. "Possono essere perfettamente sincronizzati, in modo che i due pendoli raggiungano il loro punto più basso esattamente nello stesso momento, ma in genere, il loro movimento è un po' fuori sincrono. In quel caso, parliamo di una differenza di fase tra i due pendoli."

Quando vengono create le due nuvole atomiche, iniziano senza differenza di fase:sono perfettamente sincronizzati. Ma usando il chip atomico, possono essere desincronizzati. La differenza di fase quantistica tra le due nuvole di atomi (la misura in cui sono fuori sincrono) può essere controllata con grande precisione. Dopo, le due nuvole vengono attentamente monitorate per vedere se questa differenza di fase cambia nel tempo.

Se due pendoli classici sono accoppiati da un elastico, la banda dissiperà parte dell'energia ei due pendoli si sincronizzeranno. Qualcosa di simile accade alle due nuvole atomiche:se sono accoppiate, si sincronizzano automaticamente, in un tempo straordinariamente breve. "Sembra normale, quando pensiamo agli orologi a pendolo, ma secondo le consolidate teorie di Bose-Einstein-Condensates, questo è abbastanza sorprendente perché non abbiamo dissipazione", dice Jörg Schmiedmayer. "In un sistema quantistico come il nostro, che è al riparo dall'ambiente, ci aspetteremmo periodi di sincronizzazione alternati a de-sincronizzazione per sempre."

Alla ricerca di un meccanismo sconosciuto

"Nel processo di desincronizzazione degli orologi, portiamo il sistema fuori equilibrio", dice Marine Pigneur. "La maggior parte delle teorie finora descrivono con successo l'accoppiamento di Bose-Einstein-Condensate in equilibrio, ma sono insufficienti per descrivere la situazione di fuori equilibrio e la sincronizzazione che osserviamo." Il fatto che i "ritmi quantistici" delle due nuvole atomiche siano esattamente gli stessi dopo solo pochi millisecondi implica l'esistenza di un meccanismo che dissipa energia. Poiché il sistema è isolato dal suo ambiente, l'energia non può essere dissipata ma solo trasferita. "L'accoppiamento come spiegato nelle teorie dei libri di testo non può trasferire energia con la stessa forza e rapidità che osserviamo. Quindi o a queste teorie manca qualcosa - o sono semplicemente sbagliate. Significa che è la nostra comprensione dell'interazione tra gli atomi stessi che deve essere modificato."

Con questa sorprendente scoperta, il team di ricerca spera di stimolare ulteriori ricerche in questo settore. "Dopotutto, il comportamento dei sistemi quantistici a molti corpi fuori equilibrio è uno dei grandi problemi irrisolti della fisica moderna", dice Jörg Schmiedmayer. "Si collega a molte domande fondamentali:dallo stato dell'universo primordiale subito dopo il big bang alla domanda sul perché strani effetti quantistici possono essere osservati solo su piccola scala, mentre gli oggetti più grandi obbediscono alle leggi della fisica classica."