Supersolidi, materiali solidi con proprietà superfluide (es. in cui una sostanza può fluire con viscosità nulla), sono recentemente diventati il ​​fulcro di numerosi studi di fisica. I supersolidi sono fasi paradossali della materia in cui coesistono due ordini distinti e alquanto antitetici, risultando in un materiale che è sia cristallo che superfluido.

Predetto per la prima volta alla fine degli anni '60, la supersolidità è diventata progressivamente il fulcro di un numero crescente di studi di ricerca, suscitando dibattiti in diversi campi scientifici. Diversi anni fa, ad esempio, un team di ricercatori ha pubblicato risultati controversi che hanno identificato questa fase nell'elio solido, che furono poi smentite dagli stessi autori.

Un problema chiave di questo studio è che non tiene conto della complessità dell'elio e delle osservazioni inaffidabili che a volte può produrre. Inoltre, negli atomi, le interazioni sono in genere molto forti e costanti, che rende più difficile il verificarsi di questa fase.

I gas quantistici dipolari si trovano all'estremo opposto di strutture come l'elio solido, poiché sono costituiti da atomi magnetici ultrafreddi in fase gassosa raffreddati a temperature nanokelvin. In questi gas, perciò, le interazioni tra gli atomi sono deboli, tuttavia sono anche a lungo raggio e sintonizzabili con campi magnetici controllati esternamente.

A causa del loro alto grado di accordabilità, alcuni anni fa, i gas quantistici hanno iniziato ad apparire più frequentemente nelle proposte teoriche per la supersolidità. I primi esperimenti che utilizzano gas accoppiati a campi luminosi hanno mostrato stati con proprietà simili a supersolidi, ma in questi stati il solido rimaneva incomprimibile.

Finalmente, qualche mese fa, tre gruppi di ricerca che studiano i gas ultrafreddi di atomi altamente magnetici (un gruppo tedesco guidato da Tilman Pfau, un gruppo italiano guidato da Giovanni Modugno e un gruppo di ricercatori con sede presso l'Università di Innsbruck e Institut für Quantenoptik und Quanteninformation guidato da Francesca Ferlaino), osservazioni pubblicate simultaneamente di stati con proprietà supersolide.

"Siamo stati in grado di dimostrare che in particolari condizioni di interazione, il gas magnetico ha subito una transizione di fase ad uno stato supersolido, mostrando sia la modulazione spontanea della densità (cioè, cristallo) e la coerenza di fase globale (cioè, superfluido), " i ricercatori con sede a Innsbruck hanno detto a Phys.org via e-mail. "Sorprendentemente, le proprietà supersolide derivano genuinamente dalle interazioni interparticelle nude, che hanno un forte contributo dipolo-dipolo."

Basandosi su questi risultati precedenti, il gruppo di ricerca guidato da Francesca Farlaino ha condotto un nuovo studio che indaga sullo spettro di eccitazione di un supersolido dipolare intrappolato, raccogliere nuove interessanti osservazioni. Questo studio è un importante passo avanti nello svelare come lo stato supersolido della materia risponde alle eccitazioni.

"Per sondare la supersolidità, è importante dimostrare che la natura superfluida e cristallina di un sistema risponde in modo diverso alle perturbazioni, " hanno spiegato i ricercatori. "Più in generale, nella fisica quantistica, ogni sistema ha modalità di eccitazione intrinseche che caratterizzano il modo in cui risponde a una perturbazione. Per esempio, una corda di chitarra pizzicata risponde solo con una data frequenza, emettendo un suono chiaro, che un orecchio allenato potrebbe riconoscere come una nota specifica, stimare le caratteristiche della stringa. Lo stesso vale per un sistema quantistico; il suo spettro di eccitazione rivela informazioni intime sul suo carattere intrinseco. Sondare le eccitazioni del supersolido può quindi consentire una visione nuova e più profonda di questa fase intrigante".

Le risposte osservate dai ricercatori corrispondono alle previsioni teoriche associate ai supersolidi, il che suggerisce che hanno osservato con successo uno stato supersolido. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , si concentra in particolare sullo spettro delle eccitazioni elementari di un gas dipolare di Bose posto in una trappola anisotropa 3-D mentre sta attraversando la transizione tra superfluido e supersolido.

"Abbiamo fatto un importante passo avanti studiando la risposta alle eccitazioni dei sistemi, " i ricercatori hanno detto a Phys.org. "Il modo in cui un sistema risponde dice molto sul sistema stesso. Basta pensare ad un'eccitazione esterna in cui si lancia un sasso su un sistema, e come è diversa la risposta se si lancia questo sasso in mare o contro un muro. Questo è solo un esempio; invece di lanciare un sasso, studiamo la comprimibilità del sistema."

Nel loro studio, Ferlaino e i suoi colleghi hanno essenzialmente sondato le modalità di eccitazione dello stato supersolido prodotto da un gas quantico di atomi di erbio in una trappola a forma di sigaro fatta di luce modificando il valore di un campo magnetico esterno. In questa configurazione sperimentale, la modulazione di densità è apparsa spontaneamente lungo la trappola, mentre il sistema rimaneva superfluido.

I ricercatori hanno quindi eccitato globalmente il sistema perturbando la trappola nella stessa direzione in cui era apparsa la modulazione di densità. Ciò ha comportato l'eccitazione di modalità distinte, che hanno sondato osservando il cambiamento nei modelli dall'interferenza materia-onda del gas con se stesso (ottenuta facendo espandere il gas) nel tempo.

"Nel nostro lavoro, identifichiamo le diverse modalità di eccitazione elementare applicando un'analisi statistica model-free chiamata Principal Component Analysis sull'evoluzione temporale dei modelli che abbiamo osservato, " hanno detto i ricercatori. "La nostra osservazione più significativa è stata che l'esistenza simultanea dei due ordini -cristallo e superfluido- in un supersolido si traduce in notevoli proprietà del suo spettro di eccitazione elementare, che abbiamo ulteriormente studiato nel nostro lavoro."

Studi precedenti suggeriscono che al limite termodinamico (cioè, in sistemi infiniti), l'esistenza di proprietà sia cristalline che superfluide produce due rami nello spettro di eccitazione, ciascuno di essi essendo associato a uno degli ordini. Ciò si traduce in modi che sono vibrazioni della struttura cristallina o flusso del superfluido, rispettivamente. Nel loro studio, Ferlaino e i suoi colleghi hanno mostrato, sia teoricamente che sperimentalmente, che questa caratteristica chiave dello spettro supersolido si verifica nei sistemi di laboratorio in cui sono presenti solo pochi siti cristallini.

"Sperimentalmente, abbiamo osservato che la risposta del sistema al nostro schema di eccitazione globale cambia da uno a più modi eccitati quando il sistema passa da un normale superfluido a un supersolido, riflettendo la molteplicità del ramo di eccitazione nel sistema, " hanno spiegato i ricercatori. "È importante sottolineare che una classe dei modi eccitati ha un costo energetico decrescente quando ci si sposta più in profondità nel regime supersolido, cioè., quando il carattere superfluido della fase si riduce. Tale comportamento caratterizza le modalità che inducono un flusso superfluido all'interno dell'array di goccioline".

I ricercatori hanno scoperto che mentre nel regime del condensato di Bose-Einstein il sistema esaminato mostrava un'oscillazione ordinaria del quadrupolo, nel regime supersolido produceva un'intrigante risposta a due frequenze. Questa risposta è associata alle due simmetrie spontaneamente rotte del sistema.

Lo studio condotto da Ferlaino e dai suoi colleghi fornisce prove della possibilità di flusso superfluido allo stato supersolido, mentre la sua solida elasticità è sensibile. Per accertare le loro osservazioni, però, i ricercatori avrebbero anche bisogno di dimostrare l'irrotazionalità del flusso superfluido, per esempio osservando i vortici. Questa è una delle tante cose che sperano di realizzare nel loro lavoro futuro.

"La storia del gas dipolare supersolido è ancora un libro incompleto e restano molti capitoli da scrivere, " hanno detto i ricercatori. "Per esempio, come evolve la frazione superfluida lungo il diagramma di fase? Qual è la natura del flusso superfluido in un tale sistema e come reagisce il sistema alla rotazione o ad una perturbazione locale? Quali sono le altre caratteristiche che si possono cogliere dallo spettro di eccitazione del supersolido, riguardo sia alla sua elasticità solida che alla sua frazione superfluida? Queste sono solo alcune delle entusiasmanti direzioni che potremmo esplorare in futuro".

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