Fisici negli Stati Uniti, Austria e Brasile hanno dimostrato che l'agitazione dei condensati Bose-Einstein (BEC) ultrafreddi può farli dividere in segmenti uniformi o frantumarsi in schegge imprevedibili, a seconda della frequenza dello scuotimento.

"È notevole che lo stesso sistema quantistico possa dare origine a fenomeni così diversi, " ha detto il fisico della Rice University Randy Hulet, coautore di uno studio sul lavoro pubblicato oggi online sulla rivista Revisione fisica X . Il laboratorio di Hulet ha condotto gli esperimenti dello studio utilizzando BEC al litio, minuscole nuvole di atomi ultrafreddi che marciano insieme come se fossero una singola entità, o onda di materia. "La relazione tra questi stati può insegnarci molto sui complessi fenomeni quantistici a molti corpi".

La ricerca è stata condotta in collaborazione con i fisici della Vienna University of Technology (TU Wien) in Austria e dell'Università brasiliana di São Paulo a São Carlos.

Gli esperimenti si rifanno alla scoperta di Michael Faraday del 1831 che modelli di increspature sono stati creati sulla superficie di un fluido in un secchio che è stato scosso verticalmente a determinate frequenze critiche. I modelli, note come onde di Faraday, sono simili alle modalità risonanti create su pelli e piastre vibranti.

Per indagare sulle onde di Faraday, il team ha limitato i BEC a una guida d'onda lineare unidimensionale, risultante in un BEC a forma di sigaro. I ricercatori hanno quindi scosso i BEC usando un debole, campo magnetico a lenta oscillazione per modulare la forza delle interazioni tra gli atomi nella guida d'onda 1D. Il modello di Faraday è emerso quando la frequenza di modulazione è stata sintonizzata vicino a una risonanza di modalità collettiva.

Ma il team ha anche notato qualcosa di inaspettato:quando la modulazione era forte e la frequenza era molto al di sotto di una risonanza di Faraday, il BEC si ruppe in "grani" di varia grandezza. Lo scienziato ricercatore del riso Jason Nguyen, co-autore principale dello studio, trovato che le dimensioni dei grani erano ampiamente distribuite e persistevano per tempi anche più lunghi del tempo di modulazione.

"La granulazione è di solito un processo casuale che si osserva nei solidi come la rottura del vetro, o la polverizzazione di una pietra in grani di diverse dimensioni, ", ha affermato il coautore dello studio Axel Lode, che ricopre incarichi congiunti sia alla TU Wien che al Wolfgang Pauli Institute dell'Università di Vienna.

Le immagini dello stato quantistico del BEC erano identiche in ogni esperimento sulle onde di Faraday. Ma negli esperimenti di granulazione le immagini sembravano ogni volta completamente diverse, anche se gli esperimenti sono stati eseguiti in condizioni identiche.

Lode ha affermato che la variazione negli esperimenti di granulazione è derivata da correlazioni quantistiche, relazioni complicate tra particelle quantistiche difficili da descrivere matematicamente.

"Una descrizione teorica delle osservazioni si è rivelata difficile perché gli approcci standard non erano in grado di riprodurre le osservazioni, in particolare l'ampia distribuzione delle granulometrie, " Ha detto Lode. Il suo team ha aiutato a interpretare i risultati sperimentali utilizzando un sofisticato metodo teorico, e la sua implementazione nel software, che ha rappresentato le fluttuazioni quantistiche e le correlazioni che le teorie tipiche non affrontano.

Hulet, Fayez Sarofim di Rice, professore di fisica e astronomia, e membro del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), ha affermato che i risultati hanno importanti implicazioni per le indagini sulla turbolenza nei fluidi quantistici, un problema irrisolto in fisica.