Una foto del setup sperimentale utilizzato per eseguire studi precisi della fisica universale in un campione atomico ultrafreddo. Una miriade di elementi (inclusi laser, componenti ottici, bobine di campo magnetico, e antenne RF) sono utilizzati per catturare atomi da una sorgente di vapore di potassio caldo (circa 400 Kelvin) (la camera mostrata in alto a destra), raffreddare il campione di gas a temperature ultrafredde (circa 10^-8 Kelvin) nella camera a vuoto ultraelevato (in alto a sinistra), manipolazione degli stati quantistici, eseguire la spettroscopia di precisione, e imaging di nuvole ultrafredde. Credito figura:Roman Chapurin.
Il concetto di fisica universale è intrigante, in quanto consente ai ricercatori di mettere in relazione i fenomeni fisici in una varietà di sistemi, indipendentemente dalle loro diverse caratteristiche e complessità. I sistemi atomici ultrafreddi sono spesso percepiti come piattaforme ideali per esplorare la fisica universale, grazie al preciso controllo dei parametri sperimentali (come la forza di interazione, temperatura, densità, stati quantistici, dimensionalità, e il potenziale di intrappolamento) che potrebbe essere più difficile da sintonizzare in sistemi più convenzionali. Infatti, sistemi atomici ultrafreddi sono stati utilizzati per comprendere meglio una miriade di complessi comportamenti fisici, compresi quegli argomenti in cosmologia, particella, nucleare, fisica molecolare, e soprattutto, nella fisica della materia condensata, dove le complessità dei fenomeni quantistici a molti corpi sono più difficili da indagare utilizzando approcci più tradizionali.
Comprendere l'applicabilità e la robustezza della fisica universale è quindi di grande interesse. I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Colorado Boulder hanno condotto uno studio, recentemente apparso in Lettere di revisione fisica , finalizzato a testare i limiti dell'universalità in un sistema ultrafreddo.
"A differenza di altri sistemi fisici, la bellezza dei sistemi ultrafreddi è che a volte siamo in grado di scartare l'importanza della tavola periodica e dimostrare il fenomeno simile con qualsiasi specie atomica scelta (sia esso potassio, rubidio, litio, stronzio, eccetera.), "Romano Chapurin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il comportamento universale è indipendente dai dettagli microscopici. Comprendere i limiti del fenomeno universale è di grande interesse".
A causa della natura a pochi corpi delle interazioni nella maggior parte dei sistemi ultrafreddi, i ricercatori devono acquisire una migliore conoscenza della fisica delle poche particelle per comprendere meglio i complessi fenomeni ultrafreddi a molti corpi. Il team del NIST e della CU Boulder si è concentrato sull'esplorazione dei limiti dell'universalità in un fenomeno universale a pochi corpi chiamato fisica di Efimov.
Inizialmente teorizzato nel contesto della fisica nucleare, questo esotico fenomeno quantistico prevede che forti interazioni a due corpi possano mediare l'attrazione di tre corpi e formare stati a tre corpi debolmente legati chiamati trimeri di Efimov. Infatti, ci sono un numero infinito di trimeri Efimov, le cui dimensioni ed energie sono tutte correlate tra loro da un fattore numerico universale.
Oltre a questo ridimensionamento universale, i ricercatori hanno poi notato che nei sistemi atomici, tutte le dimensioni del trimer Efimov sono le stesse (in unità ridimensionate), indipendentemente dalle specie atomiche scelte o dai dettagli esatti nelle interazioni a due corpi sottostanti che mediano le forze a tre corpi nella fisica di Efimov. Quest'ultimo aspetto universale della fisica di Efimov è noto come "universalità di van der Waals, " ed è stato ritenuto vero fino al recente studio.
"L'importanza dell'universalità nella fisica di Efimov è che siamo in grado di comprendere e prevedere il quadro completo dell'interazione di pochi corpi fino a scale arbitrarie di grande lunghezza, data solo un'ampia conoscenza della fisica dei due corpi, " disse Chapurin. "La nostra misurazione mostra che non è sempre così, dimostrando la prima deviazione dall'universalità di van der Waals e testando i limiti della fisica universale in un sistema a pochi corpi".
Una visualizzazione dei trimeri Efimov, la cui attrazione a tre corpi è mediata dalle forze di due corpi a lungo raggio, rappresentato dal colore dorato. Nonostante i dettagli complessi e l'individualità di particolari specie atomiche, rappresentato da diversi poliedri ai nuclei, questi trimeri hanno forme e dimensioni simili, raffigurante l'universalità. L'accenno di una crepa nella natura universale, come osservato per la prima volta dai ricercatori nello studio, è rappresentato da una sottile differenza di dimensioni del trimero al centro. Credito figura:Steven Burrows, JILLA.
Chapurin e colleghi hanno eseguito misurazioni precise su pochi corpi per determinare le proprietà dei trimeri di Efimov in un gas di potassio ultrafreddo. L'alto grado di controllo sui parametri sperimentali, insieme a bassi errori statistici e sistematici, ha permesso loro di trovare la prima prova convincente di trimeri Efimov non universali. I ricercatori hanno scoperto trimeri Efimov con dimensioni significativamente più grandi di quanto previsto dalla teoria universale.
"Le nostre misurazioni, con una precisione senza precedenti, ha rivelato un risultato sorprendente:la prima deviazione definitiva dall'universalità di van der Waals, "Ha detto Chapurin. "Abbiamo misurato le dimensioni dei trimeri di Efimov in modo che fossero diverse da quanto previsto dalla teoria universale e diverse da tutte le misurazioni precedenti in diverse specie atomiche".
Per comprendere meglio le loro osservazioni, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modello teorico a tre corpi. Il loro modello suggerisce che in rare circostanze, i dettagli microscopici/fini del problema (in questo caso, le complesse interazioni di spin) possono influenzare drasticamente osservabili macroscopici come la dimensione dei trimeri di Efimov.
"Abbiamo scoperto che un raffinato modello a tre corpi basato sulle nostre misurazioni precise delle interazioni a due corpi, probabilmente la misurazione più accurata della fisica a due corpi in un sistema ultrafreddo, può spiegare il risultato non universale osservato, " ha spiegato Chapurin. "In questo raro evento, i dettagli microscopici fini e complessi delle interazioni incrinano la natura universale della fisica di Efimov."
Sebbene le osservazioni sperimentali indichino chiaramente una forte deviazione dall'universalità di van der Waals, "non tutto ciò che è universale è perduto, "secondo José D'Incao, anche un ricercatore nello studio. Aggiungeva che:"permane ancora una delle premesse dell'universalità:solo conoscendo come interagiscono due atomi, tutte le proprietà a bassa energia dei sistemi triatomici Efimov possono essere derivate, senza la necessità di fare riferimento alle più tradizionali e complicate forze chimiche a tre corpi."
Lo studio condotto da Chapurin e colleghi ha raccolto nuove affascinanti osservazioni che potrebbero migliorare l'attuale comprensione dell'universalità nella fisica dei pochi corpi. Sebbene i ricercatori siano stati in grado di fornire una spiegazione provvisoria, molte domande rimangono senza risposta.
Ad esempio, mentre il loro articolo offre informazioni sulla deviazione osservata dall'universalità del primo stato di Efimov, l'effetto di una fisica microscopica così complessa sugli stati consecutivi di Efimov (nella serie infinita di Efimov) è ancora una questione aperta. Gli studi di questi stati consecutivi debolmente legati richiedono temperature sempre più fredde (meno di un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto) che si ottengono meglio in un ambiente di microgravità. Il gruppo, che fa parte della più ampia collaborazione JILA, spero di rispondere a questa domanda eseguendo futuri esperimenti nel Cold Atom Laboratory sulla Stazione Spaziale Internazionale.
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