I ricercatori della Penn State utilizzano questo apparato per creare una serie di gas unidimensionali ultrafreddi costituiti da atomi. Questi atomi sono bosoni, una delle due classi in cui tutte le particelle possono essere ordinate. In genere, bosoni e fermioni, l'altra classe di particelle, comportarsi in modo abbastanza diverso. Però, quando le interazioni interne tra i bosoni in un gas unidimensionale sono molto forti, la loro distribuzione spaziale è la stessa dei fermioni non interagenti. I ricercatori hanno ora dimostrato che quando i gas possono espandersi mentre sono ancora confinati in una dimensione, anche la loro distribuzione di velocità diventa la stessa di un gas di fermioni non interagenti. Credito:Nate Follmer, Penn State
bosoni e fermioni, le due classi in cui tutte le particelle, dal subatomico agli atomi stessi, possono essere ordinate, comportarsi in modo molto diverso nella maggior parte delle circostanze. Mentre i bosoni identici amano riunirsi, fermioni identici tendono ad essere antisociali. Però, in una dimensione - immagina particelle che possono muoversi solo su una linea - i bosoni possono diventare distaccati come fermioni, in modo che non due occupino la stessa posizione. Ora, una nuova ricerca mostra che la stessa cosa - i bosoni che agiscono come fermioni - può accadere con le loro velocità. La scoperta si aggiunge alla nostra comprensione fondamentale dei sistemi quantistici e potrebbe informare l'eventuale sviluppo di dispositivi quantistici.
"Tutte le particelle in natura sono di due tipi, a seconda del loro 'giro, ' una proprietà quantistica senza un vero analogo nella fisica classica, " ha detto David Weiss, Illustre Professore di Fisica alla Penn State e uno dei leader del gruppo di ricerca. "Bosoni, i cui spin sono interi, possono condividere lo stesso stato quantistico, mentre i fermioni, i cui giri sono mezzi interi, non può. Quando le particelle sono fredde o abbastanza dense, i bosoni si comportano in modo completamente diverso dai fermioni. I bosoni formano "condensati di Bose-Einstein, ' riunirsi nello stesso stato quantistico. Fermioni, d'altra parte, riempire uno per uno gli stati disponibili per formare quello che viene chiamato un "mare di Fermi"."
I ricercatori della Penn State hanno ora dimostrato sperimentalmente che, quando i bosoni si espandono in una dimensione - la linea degli atomi può allargarsi per allungarsi - possono formare un mare di Fermi. Un documento che descrive la ricerca appare il 27 marzo, 2020 sulla rivista Scienza .
"I fermioni identici sono antisociali, non puoi averne più di uno nello stesso posto quindi quando hanno molto freddo non interagiscono, " ha detto Marcos Rigol, professore di fisica alla Penn State e l'altro capo del gruppo di ricerca. "I bosoni possono essere nello stesso posto, ma questo diventa energeticamente troppo costoso quando le loro interazioni sono molto forti. Di conseguenza, quando è costretto a muoversi in una dimensione, la loro distribuzione spaziale può assomigliare a quella dei fermioni non interagenti. Già nel 2004, Il gruppo di ricerca di David ha dimostrato sperimentalmente questo fenomeno, che era stato teoricamente previsto negli anni '60."
Anche se le proprietà spaziali dei bosoni fortemente interagenti e dei fermioni non interagenti sono le stesse in una dimensione, i bosoni possono ancora avere le stesse velocità l'uno dell'altro, mentre i fermioni no. Ciò è dovuto alla natura fondamentale delle particelle.
"Nel 2005, Marco, poi uno studente laureato, ha predetto che quando i bosoni fortemente interagenti si espandono in una dimensione, la loro distribuzione di velocità formerà un mare di Fermi, " ha detto Weiss. "Ero molto entusiasta di collaborare con lui nella dimostrazione di questo fenomeno sorprendente".
Evoluzione della distribuzione della velocità di un gas intrappolato di bosoni fortemente interagenti che si espandono in una dimensione. La distribuzione "bosonica" inizialmente con il picco (linea viola) cambia gradualmente nella distribuzione "fermionica" arrotondata (linea rosso scuro). La forma finale è proprio come il mare di Fermi che caratterizzerebbe i fermioni nella stessa trappola iniziale. Credito:Laboratorio Weiss, Penn State
Il team di ricerca crea una serie di gas unidimensionali ultrafreddi costituiti da atomi bosonici ("gas di Bose") utilizzando un reticolo ottico, che utilizza la luce laser per intrappolare gli atomi. Nella trappola della luce, il sistema è all'equilibrio e i gas di Bose fortemente interagenti hanno distribuzioni spaziali come fermioni, ma hanno ancora le distribuzioni di velocità dei bosoni. Quando i ricercatori hanno spento parte della luce intrappolante, gli atomi si espandono in una dimensione. Durante questa espansione, la distribuzione della velocità dei bosoni si trasforma gradualmente in una identica ai fermioni. I ricercatori possono seguire questa trasformazione mentre accade.
"La dinamica dei gas ultrafreddi nei reticoli ottici è la fonte di molti nuovi affascinanti fenomeni che solo di recente hanno iniziato ad essere esplorati, " disse Rigol. "Per esempio, Il gruppo di Dave ha mostrato nel 2006 che qualcosa di così universale come la temperatura non è ben definito dopo che i gas di Bose subiscono dinamiche in una dimensione. I miei collaboratori ed io abbiamo messo in relazione questa scoperta con una bellissima proprietà matematica sottostante dei modelli teorici che descrivono i suoi esperimenti, noto come "integrabilità". L'integrabilità gioca un ruolo centrale nel nostro fenomeno di fermionizzazione dinamica appena osservato".
Poiché il sistema è "integrabile, " i ricercatori possono capirlo in modo molto dettagliato e studiando il comportamento dinamico di questi gas unidimensionali, il team di Penn State spera di affrontare ampie questioni di fisica.
"Nell'ultimo mezzo secolo sono state chiarite molte proprietà universali dei sistemi quantistici di equilibrio, " ha detto Weiss. "È stato più difficile identificare il comportamento universale nei sistemi dinamici. Comprendendo appieno la dinamica dei gas unidimensionali, e poi, rendendo gradualmente i gas meno integrabili, speriamo di identificare principi universali nei sistemi quantistici dinamici".
Dinamico, i sistemi quantistici interagenti sono una parte importante della fisica fondamentale. Stanno anche diventando tecnologicamente rilevanti, poiché molti dispositivi quantistici attuali e proposti si basano su di essi, compresi simulatori quantistici e computer quantistici.
"Ora abbiamo accesso sperimentale a cose che se avessi chiesto a qualsiasi teorico che lavorava nel campo dieci anni fa 'lo vedremo nel corso della nostra vita?' avrebbero detto 'nessun modo, '", ha detto Rigol.
Oltre a Rigol e Weiss, il team di ricerca della Penn State include Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, e Yicheng Zhang. La ricerca è stata finanziata dalla US National Science Foundation e dall'U.S. Army Research Office. I calcoli sono stati eseguiti presso il Penn State Institute for Computational and Data Sciences.
