Gli atomi ultrafreddi intrappolati in trappole ottiche opportunamente preparate possono disporsi in modo sorprendentemente complesso, strutture finora inosservate, secondo gli scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia. In linea con le loro previsioni più recenti, la materia nei reticoli ottici dovrebbe formare anelli quantici di trazione e disomogenei in modo controllato.

Un reticolo ottico è una struttura fatta di luce, cioè onde elettromagnetiche. I laser svolgono un ruolo chiave nella costruzione di tali reticoli. Ogni laser genera un'onda elettromagnetica con un raggio strettamente definito, parametri costanti che possono essere modificati quasi arbitrariamente. Quando i raggi laser sono abbinati correttamente, è possibile creare un reticolo con proprietà ben note. Per sovrapposizione di onde, si possono ottenere i minimi di potenziale, la cui disposizione consente la simulazione dei sistemi e dei modelli ben noti dalla fisica dello stato solido. Il vantaggio di tali sistemi preparati è il modo relativamente semplice di modificare le posizioni di questi minimi, cosa significa in pratica la possibilità di preparare vari tipi di reticoli.

"Se introduciamo atomi opportunamente selezionati in un'area dello spazio che è stata preparata in questo modo, si riuniranno nelle posizioni di potenziali minimi. Però, c'è una condizione importante:gli atomi devono essere raffreddati a temperature bassissime. Solo allora la loro energia sarà abbastanza piccola da non uscire dalla sottile trappola preparata, " spiega il dott. Andrzej Ptok dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia.

Le strutture formate da atomi (o gruppi di atomi) intrappolati nel reticolo ottico assomigliano ai cristalli. A seconda della configurazione dei raggi laser, possono essere uno-, bi o tridimensionale. A differenza dei cristalli, sono privi di difetti. Cosa c'è di più, mentre nei cristalli la possibilità di modificare la struttura del reticolo è trascurabile, reticoli ottici sono abbastanza facili da configurare. Tutto ciò che serve per modificare le proprietà della luce laser o gli angoli di taglio dei raggi. Queste caratteristiche rendono i reticoli ottici popolari come simulatori quantistici. Possono essere usati per riprodurre varie configurazioni spaziali di atomi o gruppi di atomi, compresi anche quelli che non esistono in natura.

Nella loro ricerca, gli scienziati dell'IFJ PAN lavorano con atomi intrappolati in reticoli ottici. Gruppi di fermioni, cioè atomi con spin di 1/2 (lo spin è una caratteristica quantistica che descrive la rotazione delle particelle) sono stati collocati nei loro siti. In ogni sito un certo numero di atomi aveva lo spin orientato in una direzione (su), e il resto, nella direzione opposta (in basso). La modifica dell'interazione tra atomi in modo tale da essere attrattiva porta alla creazione di coppie di atomi, che corrispondono alle coppie di Cooper nei superconduttori, coppie di elettroni con spin opposti nello stesso sito del reticolo.

"I parametri del reticolo ottico possono essere utilizzati per influenzare l'interazione tra atomi di spin diverso intrappolati nei singoli siti. Inoltre, in tal modo si può preparare uno stato, che imitano i campi magnetici esterni applicati al sistema. È dato controllando le proporzioni tra il numero di atomi di spin diverso, " afferma il Dr. Konrad J. Kapcia dell'IFJ PAN e osserva che i sistemi preparati in questo modo possono riprodurre gli effetti di campi magnetici relativamente grandi senza la necessità di utilizzare questi campi. "Questo è possibile perché sappiamo come un dato campo magnetico impatterebbe su la differenza tra il numero di particelle con spin opposti, " spiegano i ricercatori.

Secondo le previsioni dei fisici di Cracovia, un'interessante separazione di fase dovrebbe avvenire in sistemi così preparati. Di conseguenza, struttura nucleo-guscio formata da materia intrappolata in un reticolo ottico, un nucleo di atomi accoppiati di una fase, circondato da un guscio di atomi accoppiati della seconda fase, si formerà automaticamente.

"L'intera situazione può essere rappresentata da un gustoso esempio. Immagina un piatto di riso con una salsa densa. Con una corretta preparazione del piatto, possiamo influenzare la posizione relativa tra il riso e la salsa. Per esempio, possiamo preparare il sistema in modo tale che il riso sia al centro, mentre la salsa forma un anello intorno. Dagli stessi ingredienti possiamo costruire anche il sistema inverso:al centro del piatto ci sarà la salsa circondata da un anello di riso. Nel nostro caso, la piastra è la trappola ottica con gli atomi e le loro coppie, e il riso e la salsa sono le due fasi, raggruppare diversi tipi di coppie di atomi, " descrive il dottor Ptok.

Il lavoro dei fisici dell'IFJ PAN, pubblicato in Rapporti scientifici , è di natura teorica. Per la loro semplicità, però, i sistemi descritti di atomi ultrafreddi nelle trappole ottiche possono essere rapidamente verificati in esperimenti di laboratorio. I fisici dell'IFJ PAN hanno previsto che gli atomi ultrafreddi intrappolati nei reticoli ottici possono formare anelli quantistici con una struttura disomogenea.