Uno studio FLEET/Swinburne pubblicato questa settimana risolve un dibattito di lunga data su ciò che accade a livello microscopico quando la materia passa a uno stato superconduttivo o superfluido.

Si è scoperto che le correlazioni tra coppie di atomi in un gas ultrafreddo crescono improvvisamente quando il sistema viene raffreddato al di sotto della temperatura di transizione superfluida, piuttosto che apparire gradualmente a temperature più elevate, come alcune teorie hanno previsto.

Gli esperimenti sono stati condotti nel laboratorio di gas atomico ultrafreddo della Swinburne University of Technology, utilizzando gas di atomi di litio raffreddati a temperature inferiori a 100 nano-Kelvin.

Sblocco del meccanismo di accoppiamento dei sistemi Fermi-gas

Il nuovo studio sblocca le funzioni chiave di uno stato della materia noto come "gas di Fermi", esempi dei quali includono elettroni che si muovono liberamente in un conduttore elettrico (come in una corrente elettrica convenzionale), o protoni e neutroni all'interno di un nucleo. Altri sistemi a gas di Fermi includono stati più esotici, come gli elettroni nei superconduttori, o il 'superfluido' di neutroni all'interno di una stella di neutroni.

"Una delle domande aperte sui sistemi Fermi-gas che interagiscono fortemente è stato il ruolo dell'accoppiamento, " spiega il prof Chris Vale di FLEET CI. "Il nostro studio ha dimostrato che, alla temperatura di transizione superfluida, le correlazioni di coppia aumentano bruscamente, piuttosto che gradualmente, come è stato previsto da alcune teorie."

Questa osservazione è stata quantificata attraverso misurazioni di un parametro universale, noto come "parametro di contatto". Questo parametro quantifica la probabilità di trovare due atomi molto vicini tra loro, ed è fortemente potenziato quando gli atomi formano coppie.

Uno studio correlato, dal gruppo di Martin Zwierlein presso il Massachusetts Institute of Technology e pubblicato back-to-back con l'articolo del gruppo Swinburne trovato risultati quasi identici, utilizzando un metodo completamente diverso. Gli esperimenti di Swinburne e del MIT rappresentano una svolta chiave nella nostra comprensione dell'accoppiamento nei sistemi superfluidi di Fermi con forti interazioni tra le particelle.

I risultati sperimentali indicano una teoria corretta

Il team di Swinburne ha generato un gas di Fermi unitario di atomi di litio-6 e ha sondato il sistema misurando il momento impartito agli atomi da una coppia di raggi laser incrociati, che perturbano il gas in modo ben definito. Da questi dati, il team ha estratto il parametro di contatto, che ha mostrato un rapido aumento di circa il 15% quando la temperatura è stata abbassata al di sotto del punto di transizione del superfluido.

I tentativi teorici di calcolare l'evoluzione della temperatura del parametro di contatto sono notoriamente difficili e hanno prodotto previsioni molto diverse che dipendono dal modello per i fermioni interagenti. Gli esperimenti di Swinburne e del MIT supportano la teoria di Luttinger-Ward, che dice che l'accoppiamento si attiva improvvisamente alla temperatura di transizione.

'Regole di contatto e somma in un gas di Fermi quasi uniforme ad unitarietà' è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica questa settimana.