E se potessi interrompere l'ordine cristallino della materia quantistica in modo che un superfluido possa fluire liberamente anche a temperature e pressioni dove di solito non lo fa? Questa idea è stata dimostrata da un team di scienziati guidati da Ludwig Mathey e Andreas Hemmerich dell'Università di Amburgo.

Il congelamento dell'acqua comporta un passaggio da una fase della materia all'altra, chiamato transizione di fase. Mentre questo passaggio, come innumerevoli altri che si verificano in natura, tipicamente si svolge alle stesse condizioni fisse, in questo caso, il punto di congelamento:potrebbe essere influenzato in modo controllato. La transizione di congelamento può essere controllata per produrre un sorbetto o una granita. Per realizzare una granita fredda e rinfrescante dalla consistenza perfetta, un granitore con lame in rotazione costante impedisce alle molecole d'acqua di cristallizzare e trasformare il fango in un solido blocco di ghiaccio.

Immagina di controllare la materia quantistica allo stesso modo. Piuttosto che formare un liquido normale, come una melma sciolta sotto il sole, la materia quantistica può formare un superfluido. Questa forma controintuitiva della materia è stata osservata per la prima volta nell'elio liquido a temperature molto basse, meno di due Kelvin sopra lo zero assoluto. Gli atomi di elio hanno una forte tendenza a formare un cristallo, come le molecole d'acqua in un fango, e ciò limita lo stato superfluido dell'elio a temperature e pressioni molto basse.

Ma cosa accadrebbe se potessi accendere le lame del tuo granitore per la materia quantistica? E se potessi interrompere l'ordine cristallino in modo che il superfluido possa fluire liberamente, anche a temperature e pressioni dove di solito no? Questa era l'idea ora dimostrata da un team di scienziati guidati da Ludwig Mathey e Andreas Hemmerich dell'Università di Amburgo. Hanno interrotto l'ordine cristallino in un sistema quantistico in modo controllato, illuminandolo con una luce che oscilla nel tempo a una frequenza specifica. I fisici usano il termine "guida" per descrivere questo tipo di cambiamento periodico applicato al sistema, un'azione eseguita dalle lame agitate in una macchina fangosa. Il loro lavoro, pubblicato in Lettere di revisione fisica , identificato un meccanismo fondamentale per come un tipico sistema con fasi concorrenti risponde a una guida periodica esterna.

I ricercatori hanno studiato un gas di atomi freddi posti tra due specchi altamente riflettenti. Gli specchi formano una cavità che funge da risonatore per i fotoni poiché gli atomi li disperdono più volte prima di essere rilevati negli esperimenti. Per fornire una sorgente di fotoni, un raggio laser a pompa esterna è diretto alla nuvola di atomi.

Simile all'acqua che cambia la sua fase da liquida a ghiacciata, questo sistema luce-materia mostra una transizione di fase quantistica. Gli atomi di un gas inizialmente omogeneo si organizzano spontaneamente in uno schema a scacchiera quando l'intensità del raggio della pompa diventa sufficientemente forte. L'autorganizzazione va a scapito del superfluido, che è soppresso dall'ordine cristallino. Questo è uno dei tanti esempi in natura di competizione in cui una fase vince sull'altra. I ricercatori mostrano che con un po' di "guida, " puoi far pendere la bilancia a favore del perdente, in questo esempio, la fase superfluida. "Osserviamo dalle nostre simulazioni al computer che una modulazione periodica dell'intensità della pompa può destabilizzare la fase auto-organizzata dominante, " spiega l'autore principale Jayson Cosme. "Questo consente alla fase omogenea precedentemente instabile di riemergere e questo ripristina il superfluido. È superfluidità indotta dalla luce."

Gli scienziati hanno poi osservato la loro previsione in un esperimento condotto nel gruppo di Andreas Hemmerich. "Intuitivamente, ci si potrebbe aspettare che se scuotiamo il sistema, non fa altro che scaldarsi. È stato intrigante vedere una chiara firma del fluido quantistico riemergere, " spiega Andreas Hemmerich.

Il miglioramento o la soppressione di una fase a causa di una forza motrice esterna è stato suggerito anche in altri sistemi fisici. Ad esempio, nei superconduttori ad alta temperatura, gli impulsi laser possono fondere l'ordine a strisce dominante di equilibrio, aprendo la strada all'emergere della superconduttività, un fenomeno chiamato superconduttività indotta dalla luce. Il meccanismo fondamentale che può aiutare a spiegare questo processo è ancora oggetto di dibattito. "Abbiamo proposto questo tipo di controllo della superfluidità della luce per dimostrare il principio che è stato ipotizzato per la superconduttività indotta dalla luce, " spiega Ludwig Mathey. Con questa constatazione, la fisica dell'atomo freddo dimostra un generale, meccanismo controintuitivo di controllo delle transizioni di fase nei sistemi a molti corpi. Apre un nuovo capitolo della fisica dello stato solido in cui gli scienziati non solo misurano le proprietà di equilibrio della materia, ma piuttosto progettare uno stato di non equilibrio con le proprietà desiderate tramite il controllo della luce.