Un sistema composto da una manciata di particelle agisce proprio come sistemi più grandi, permettendo agli scienziati di studiare più facilmente il comportamento quantistico.

La maggior parte delle sostanze studiate dai fisici sono costituite da un numero enorme di particelle, così grandi che sostanzialmente non c'è differenza tra le proprietà comportamentali di una goccia o l'acqua pura di una piscina. Anche una singola goccia può contenere più di un quadrilione di particelle.

Questo rende la comprensione del loro comportamento collettivo relativamente facile. Per esempio, sia l'acqua della goccia che quella della piscina si congeleranno a 0C e bolliranno a 100C.

Tali "transizioni di fase" (cioè da liquido a solido o da liquido a gas) possono apparire brusche in questi grandi sistemi, perché sono coinvolte così tante particelle che sembrano agire tutte contemporaneamente. Ma che dire di sistemi molto più piccoli? Quando ci sono solo una manciata di particelle, valgono le stesse regole delle transizioni di fase?

Per rispondere a queste domande, un team di scienziati dell'Imperial College di Londra, l'Università di Oxford e l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe, Germania, fatto un sistema di meno di 10 fotoni, le particelle fondamentali della luce. I risultati dei loro esperimenti, pubblicato oggi in Fisica della natura , mostrano che le transizioni di fase si verificano ancora in sistemi composti in media da un minimo di sette particelle.

Studiare il comportamento quantistico delle particelle è molto più facile con meno particelle, quindi il fatto che si verifichino transizioni di fase in questi piccoli sistemi significa che gli scienziati sono maggiormente in grado di studiare proprietà quantistiche come la coerenza.

L'autore principale Dr. Robert Nyman, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"Ora che è stato confermato che la 'transizione di fase' è ancora un concetto utile in sistemi così piccoli, possiamo esplorare le proprietà in modi che non sarebbero possibili in sistemi più grandi.

"In particolare, possiamo studiare le proprietà quantistiche della materia e della luce, cosa succede alla scala più piccola quando si verificano le transizioni di fase".

Il sistema studiato dal team era un condensato di Bose-Einstein (BEC) di fotoni. I BEC si formano quando un gas di particelle quantistiche è così freddo o così ravvicinato da non essere più distinguibile. Un BEC è uno stato della materia che ha proprietà molto diverse dai solidi, liquidi, gas o plasma.

Il team ha scoperto che aggiungendo fotoni al sistema, una transizione di fase a un BEC si verificherebbe una volta che il sistema avesse raggiunto circa sette fotoni, meno che in qualsiasi altro BEC visto prima. Essendo così piccolo, la transizione è stata meno brusca che in sistemi più grandi come pozze d'acqua, ma il fatto che la transizione sia avvenuta in un punto prevedibile rispecchia bene i sistemi più grandi.

Il sistema è stato creato con un semplice apparato:alcuni coloranti fluorescenti e specchi curvi. Ciò significa che oltre ad essere utile nello studio delle proprietà quantistiche, il sistema potrebbe essere utilizzato per creare e manipolare speciali stati di luce.

Co-autore Dr. Florian Minert, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"Con il meglio di due mondi distinti, la fisica delle transizioni di fase e l'accessibilità di piccoli sistemi, questa insolita sorgente di luce ha potenziali applicazioni nella misurazione o nel rilevamento".