I fluidi quantistici condensati di Bose non sono per sempre. Tali stati includono superfluidi e condensati di Bose-Einstein (BEC).

C'è una bella purezza in tali stati esotici, in cui ogni particella è nello stesso stato quantico, permettendo di vedere gli effetti quantistici a livello macroscopico visibili su un semplice microscopio.

In realtà però, non tutte le particelle rimangono nella condensa anche allo zero assoluto dove, classicamente, le particelle dovrebbero rimanere ferme. Anziché, le fluttuazioni quantistiche indotte dall'interazione fanno collidere le particelle, inevitabilmente espellendo alcune particelle dalla condensa, un fenomeno chiamato "esaurimento quantistico".

Questo effetto è incredibilmente forte nell'elio-4 superfluido, il primo superfluido conosciuto, tale che il 90% delle particelle viene espulso dalla condensa. Però, in estremamente diluito, gas atomici ultrafreddi, che formano i tipici condensati di Bose-Einstein (BEC) che conosciamo, l'effetto è molto più debole, quasi trascurabile.

Sebbene l'esaurimento quantistico sia stato ben descritto teoricamente (dalla teoria di 70 anni sviluppata da Nikolay Bogoliubov), è storicamente noto per essere difficile da misurare in un BEC atomico per una serie di motivi.

Invece di particelle atomiche, i fisici dell'Australian National University (ANU) usano eccitoni-polaritoni, particelle ibride con carattere sia di luce che di materia, che consente il rilevamento della quantità di moto senza alcuna distorsione.

Il team dell'ANU, guidato dalla prof.ssa Elena Ostrovskaya, rilevato con successo le particelle espulse bloccando la luce, usando un filo di rasoio, emessa dalla condensa incredibilmente luminosa. "È come ricreare un'eclissi solare, ", afferma l'autore principale dello studio, il dott. Maciej Pieczarka. "La luna blocca il sole luminoso (il condensato) ed espone la sua gloriosa corona (le eccitazioni)."

Lo studio rappresenta la prima osservazione diretta dell'esaurimento quantistico in un condensato di Bose-Einstein (BEC) non in equilibrio.

I condensati "leggeri" non si comportano come ci aspetteremmo. non c'è spiegazione per questo comportamento

Un risultato sorprendente dello studio offre una nuova sfida per la fisica dei fluidi quantistici di non equilibrio. I condensati eccitone-polaritone possono essere sintonizzati da più simili alla materia (eccitonici) a più simili alla luce (fotonici), consentendo il confronto con le teorie del condensato atomico (materia) di equilibrio e dei fluidi quantistici di luce di non equilibrio.

I ricercatori hanno scoperto che quando i condensati erano "simili alla materia, " si sono comportati esattamente come previsto per un BEC in equilibrio termico (descritto dalla teoria di Bogoliubov di vecchia data).

Però, condensati che erano "leggeri" deviati dal comportamento previsto di Bogoliubov, in un modo non descritto da nessuna teoria esistente

In breve, anche se questi condensati sono trascinati-dissipativi, possono comportarsi come condensati atomici in equilibrio (quando sono simili alla materia) o come un fluido quantistico di non equilibrio (quando sono simili alla luce).

Eccitazione negativa osservata

La ricerca risolve un annoso problema nei condensati eccitone-polaritone:il problema della visibilità dei rami di eccitazione.

L'esaurimento quantico porta alla visibilità dei rami fantasma nello spettro delle eccitazioni. In precedenza, solo le eccitazioni positive o normali erano mai state osservate in un ambiente creato spontaneamente, BEC allo stato stazionario, mentre le eccitazioni negative o fantasma previste da Bogoliubov eludevano le osservazioni in questo regime.

Ora, il team dell'ANU ha utilizzato i condensati ad alta densità dominati dall'interazione, nel regime di stato stazionario, per aumentare il segnale molto debole dalle particelle fantasma. Questo studio dimostra la prima chiara osservazione sperimentale di questo ramo fantasma di eccitazioni elementari in un ambiente creato spontaneamente, condensato eccitone-polaritone allo stato stazionario.

A differenza della sua controparte normale, le particelle fantasma possono essere create solo da fluttuazioni quantistiche e la loro individuazione in questo studio è la pistola fumante dell'esaurimento quantistico dei condensati eccitone-polaritone.

"L'aspetto ironico di queste particelle espulse è che anche se non fanno rigorosamente parte della condensa, in realtà ti dicono quasi tutto sulla condensa esaurita, " dice il co-autore Dr. Eliezer Estrecho.

Il team guidato dall'ANU ha utilizzato l'osservazione del ramo fantasma per misurare con precisione la forza delle interazioni di eccitone-polaritoni, un parametro chiave che aveva un'incertezza controversa sulla base delle misurazioni di altri gruppi. Il risultato è in pieno accordo con il precedente lavoro del team ANU (vedi sotto), dove l'alta densità, la condensa dominata dall'interazione è stata combinata in modo fortuito con l'effetto di bruciatura del foro. L'ottimo accordo con la teoria ha finalmente risolto la controversia.

Superfluidi e condensati quantistici

Superfluidi, come l'elio-4, sono strettamente correlati ai condensati di Bose-Einstein (BEC) dei bosoni interagenti.

"Deplezione quantistica" descrive il processo mediante il quale, anche allo Zero Assoluto, alcune delle particelle che occupano lo stato quantistico macroscopico vengono eccitate in stati di momento più elevati tramite interazioni interparticellari e fluttuazioni quantistiche.

Essenzialmente, tali particelle vengono espulse dalla condensa.

L'esaurimento quantico è particolarmente difficile da misurare in sistemi di non equilibrio come i condensati eccitone-polaritone (fotoni accoppiati a coppie elettrone-lacuna in un semiconduttore) poiché ci sono altri processi che possono produrre lo stesso effetto di espulsione

Nel nuovo studio, l'esaurimento quantistico di un condensato eccitone-polaritone ad alta densità otticamente intrappolato viene osservato rilevando direttamente la firma rivelatrice del processo delle particelle fantasma che occupano il ramo negativo delle eccitazioni elementari.

"I risultati richiedono una comprensione più profonda della relazione tra BEC di equilibrio e di non equilibrio, "dice la prof.ssa Elena Ostrovskaya.

Il gruppo, che include collaboratori teorici all'interno del nodo FLEET della Monash University, sta ora estendendo il proprio lavoro per chiarire le proprietà sottostanti più profonde, come le fasi e le relazioni universali, di questo ibrido di materia leggera di un condensato.

"Osservation of quantum depletion in a nonequilibrium exciton-polariton condensate" è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura a gennaio.