Un nuovo studio teorico presso la Monash University ha migliorato la nostra comprensione dell'interazione tra fluttuazioni (o eccitazioni) quantistiche e termiche nella materia quantistica.

Lo studio ha scoperto che un'impurità all'interno di un condensato di Bose-Einstein (BEC) mostra uno spettro energetico intrigante poiché la sua temperatura è aumentata sopra lo zero kelvin, con la quasiparticella dello stato fondamentale che si divide in un numero di rami che dipende dalle interazioni con la nube termica che circonda il BEC.

"La modellazione ha dimostrato che il numero di rami di quasiparticelle è semplicemente fissato dal numero di eccitazioni del foro della nuvola termica, " spiega l'autore principale, Bernardo Campo.

"Questo è, includendo fino a una buca si ottiene una divisione, due fori produce due spaccature, e così via, "dice Bernardo, che è uno studente di dottorato presso la School of Physics and Astronomy della Monash University.

I gas atomici freddi come "banco di prova perfetto"

I gas atomici freddi vengono utilizzati per studiare gli effetti delle impurità accoppiate a un mezzo quantistico, uno scenario rilevante per qualsiasi cosa, dai transistor ad effetto di campo al comportamento dei protoni nelle stelle di neutroni.

I gas atomici freddi forniscono un sistema particolarmente pulito e flessibile in cui sondare il comportamento delle impurità quantistiche, consentendo di variare le interazioni impurezza-mezzo da debole a forte e rivelando il modo in cui l'impurità viene "vestita" dalle eccitazioni del mezzo.

Nello specifico, il nuovo studio si concentra sulle impurità in un BEC, chiamato polarone di Bose.

Studi precedenti avevano previsto che lo spettro energetico di un polaron di Bose si sarebbe diviso in due rami pari con qualsiasi aumento della temperatura sopra lo zero kelvin.

Lo studio di Monash ha scoperto che questo risultato è una conseguenza dell'assunzione di una sola eccitazione particella-foro del mezzo. Quando sono inclusi più fori, il risultato è più scissione.

"Poiché ci può essere un gran numero di eccitazioni in un sistema reale, ci aspettiamo che l'attuale polarone di Bose appaia come un unico ampio picco a basse temperature, " spiega A/Prof Meera Parish.

"Però, straordinariamente troviamo che il comportamento è fondamentalmente diverso da quello che ci si potrebbe aspettare dalle teorie standard delle fluttuazioni quantistiche e delle transizioni di fase quantistiche".

I ricercatori fanno uso di un elegante approccio variazionale che include correlazioni multicorpo tra l'impurità e il BEC, andando così oltre l'attuale stato dell'arte nel settore. Soprattutto, il loro risultato teorico per l'energia dello stato fondamentale del polarone di Bose è in eccellente accordo con modelli quantistici numericamente più intensivi e con esperimenti.

Il destino del polaron di Bose a temperatura finita è stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica A a gennaio 2020