Le proprietà quantistiche alla base della formazione dei cristalli possono essere replicate e studiate con l'aiuto di atomi ultrafreddi. Un team guidato dal Dr. Axel U.J. Lode dell'Istituto di Fisica dell'Università di Friburgo ha ora descritto sulla rivista Lettere di revisione fisica come l'uso di atomi dipolari consente anche la realizzazione e la misurazione precisa di strutture che non sono state ancora osservate in nessun materiale. Lo studio teorico è stato una collaborazione che ha coinvolto scienziati dell'Università di Friburgo, l'Università di Vienna e l'Università tecnica di Vienna in Austria, e l'Indian Institute of Technology di Kanpur, India.

I cristalli sono onnipresenti in natura. Sono formati da molti materiali diversi, dai sali minerali ai metalli pesanti come il bismuto. Le loro strutture emergono perché è favorevole un particolare ordinamento regolare di atomi o molecole, perché richiede la minima quantità di energia. Un cubo con un costituente su ciascuno dei suoi otto angoli, ad esempio, è una struttura cristallina molto comune in natura. La struttura di un cristallo determina molte delle sue proprietà fisiche, come il modo in cui conduce una corrente o il calore o come si rompe e si comporta quando è illuminato dalla luce. Ma cosa determina queste strutture cristalline? Emergono come conseguenza delle proprietà quantistiche e delle interazioni tra i loro costituenti, quale, però, sono spesso scientificamente difficili da capire e anche difficili da misurare.

Per arrivare comunque a fondo delle proprietà quantistiche della formazione delle strutture cristalline, gli scienziati possono simulare il processo utilizzando i condensati di Bose-Einstein, atomi ultrafreddi intrappolati raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto o a meno 273,15 gradi Celsius. Gli atomi in questi sistemi altamente artificiali e altamente fragili sono estremamente ben sotto controllo.

Con un'attenta messa a punto, gli atomi ultrafreddi si comportano esattamente come se fossero i costituenti che formano un cristallo. Sebbene costruire e far funzionare un simulatore quantistico di questo tipo sia un compito più impegnativo della semplice crescita di un cristallo da un certo materiale, il metodo offre due vantaggi principali:primo, gli scienziati possono mettere a punto le proprietà del simulatore quantistico quasi a piacimento, che non è possibile per i cristalli convenzionali. Secondo, la lettura standard dei simulatori quantistici di atomi freddi sono immagini contenenti informazioni su tutte le particelle di cristallo. Per un cristallo convenzionale, al contrario, solo l'esterno è visibile, mentre l'interno, e in particolare le sue proprietà quantistiche, è difficile da osservare.

I ricercatori di Friburgo, Vienna, e Kanpur descrivono nel loro studio che un simulatore quantistico per la formazione dei cristalli è molto più flessibile quando viene costruito utilizzando particelle quantistiche dipolari ultrafredde. Le particelle quantistiche dipolari consentono di realizzare e investigare non solo strutture cristalline convenzionali, ma anche arrangiamenti che finora non si vedevano per nessun materiale. Lo studio spiega come questi ordini di cristalli emergano da un'intrigante competizione tra cinetica, potenziale, e l'energia di interazione e come le strutture e le proprietà dei cristalli risultanti possono essere misurate con dettagli senza precedenti.