Le proprietà elettroniche della materia condensata sono spesso determinate da un'intricata competizione tra energia cinetica che mira a sovrapporre e delocalizzare le funzioni d'onda elettroniche attraverso il reticolo cristallino, e localizzazione delle interazioni elettrone-elettrone. In contrasto, la fase gassosa è caratterizzata da elettroni di valenza strettamente localizzati attorno ai nuclei dell'atomo ionico in stati quantistici discreti con energie ben definite. Come un ibrido esotico di entrambe le situazioni, ci si può chiedere quale stato della materia si crea quando un gas di atomi isolati viene improvvisamente eccitato a uno stato in cui le funzioni d'onda elettroniche si sovrappongono spazialmente, come in un solido?

Una fase così esotica della materia, però, è stato finora impossibile creare in linea di principio. Qui, Professor Kenji Ohmori, Istituto di Scienze Molecolari, Istituti Nazionali di Scienze Naturali in Giappone, e i suoi colleghi hanno realizzato un ibrido così esotico con funzioni d'onda elettroniche sovrapposte (Rydberg) create in modo coerente in soli 10 picosecondi dall'eccitazione laser ultraveloce in un microcristallo artificiale di atomi ultrafreddi. Il grado di sovrapposizione spaziale è sintonizzato attivamente con una precisione e un'accuratezza di quasi 50 nanometri. Questo esotico gas quantico simile al metallo è sotto un controllo squisito e di lunga durata, decadendo in nanosecondi, apre un regime completamente nuovo di fisica a molti corpi per simulare la dinamica ultraveloce degli elettroni a molti corpi dominata dalle interazioni di Coulomb.

L'esperimento è stato eseguito con un ensemble di 30, 000 atomi di rubidio in fase gassosa. È stato raffreddato a una temperatura inferiore a un decimilionesimo di 1 Kelvin al di sopra di una temperatura dello zero assoluto mediante raffreddamento laser/evaporativo. Quegli atomi ultrafreddi nello stato quantico energeticamente più basso, detto condensato di Bose-Einstein, sono caricati in un reticolo cubico di trappole ottiche formate con fasci laser contropropaganti, risultante in un microcristallo artificiale composto da 30, 000 atomi, la cui distanza dal vicino più prossimo è 0,5 micron. Questo microcristallo con una dimensione di poche decine di micrometri è stato irradiato con un impulso laser ultracorto la cui larghezza dell'impulso era di 10 picosecondi. È stato quindi osservato che un elettrone confinato in ciascuno degli atomi vicini era eccitato al suo orbitale elettronico gigante (orbitale di Rydberg), in modo che si sovrappongano spazialmente tra loro. Il grado di sovrapposizione è stato squisitamente controllato con una precisione e un'accuratezza di quasi 50 nanometri modificando la frequenza del laser che seleziona l'orbitale.

Quando gli orbitali di questi elettroni debolmente legati si sovrappongono e gli atomi iniziano a condividere i loro orbitali, entrano in un nuovo regime di gas quantistico simile al metallo. Il Prof. Ohmori e i suoi collaboratori hanno così creato per la prima volta un gas quantico simile al metallo. Questa fase di materia esotica è prevista come una piattaforma rivoluzionaria per la simulazione quantistica della dinamica degli elettroni a molti corpi ultraveloce dominata dalle interazioni di Coulomb che migliorerebbero la nostra comprensione delle proprietà fisiche della materia tra cui la superconduttività e il magnetismo, e potrebbe contribuire a un'innovazione dirompente nello sviluppo di nuovi materiali funzionali.

Lo studio è pubblicato su Lettere di revisione fisica .