Per alcuni, il suono di un "flusso perfetto" potrebbe essere il dolce sciabordio di un ruscello della foresta o forse il tintinnio dell'acqua versata da una brocca. Per i fisici, un flusso perfetto è più specifico, riferendosi a un fluido che scorre con la minima quantità di attrito, o viscosità, consentito dalle leggi della meccanica quantistica. Un comportamento così perfettamente fluido è raro in natura, ma si pensa che avvenga nei nuclei delle stelle di neutroni e nel plasma denso dell'universo primordiale.

Ora i fisici del MIT hanno creato un fluido perfetto in laboratorio, e ascoltato come le onde sonore lo attraversano. La registrazione è il prodotto di un glissando di onde sonore che il team ha inviato attraverso un gas accuratamente controllato di particelle elementari noto come fermioni. Le altezze che si possono udire sono le particolari frequenze alle quali il gas risuona come una corda pizzicata.

I ricercatori hanno analizzato migliaia di onde sonore che viaggiano attraverso questo gas, misurarne la "diffusione sonora, " o quanto velocemente il suono si dissipa nel gas, che è direttamente correlato alla viscosità di un materiale, o attrito interno.

Sorprendentemente, hanno scoperto che la diffusione del suono del fluido era così bassa da essere descritta da una quantità "quantica" di attrito, data da una costante di natura nota come costante di Planck, e la massa dei singoli fermioni nel fluido.

Questo valore fondamentale ha confermato che il gas fermione fortemente interattivo si comporta come un fluido perfetto, ed è di natura universale. I risultati, pubblicato oggi sulla rivista Scienza , dimostrare la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di misurare la diffusione del suono in un fluido perfetto.

Gli scienziati possono ora utilizzare il fluido come modello di altri, flussi perfetti più complicati, stimare la viscosità del plasma nell'universo primordiale, così come l'attrito quantistico all'interno delle stelle di neutroni, proprietà che altrimenti sarebbero impossibili da calcolare. Gli scienziati potrebbero persino essere in grado di prevedere approssimativamente i suoni che emettono.

"È abbastanza difficile ascoltare una stella di neutroni, "dice Martin Zwierlein, il Thomas A. Franck Professore di Fisica al MIT. "Ma ora potresti imitarlo in laboratorio usando gli atomi, agita quella zuppa atomica e ascoltala, e sapere come suonerebbe una stella di neutroni."

Mentre una stella di neutroni e il gas del team differiscono ampiamente in termini di dimensioni e velocità di propagazione del suono, da alcuni calcoli approssimativi Zwierlein stima che le frequenze di risonanza della stella sarebbero simili a quelle del gas, e persino udibile - "se potessi avvicinare l'orecchio senza essere fatto a pezzi dalla gravità, " Aggiunge.

I coautori di Zwierlein sono l'autore principale Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, e Julian Struck del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Rubinetto, Ascoltare, imparare

Per creare un fluido perfetto in laboratorio, Il team di Zwierlein ha generato un gas di fermioni fortemente interagenti:particelle elementari, come gli elettroni, protoni, e neutroni, che sono considerati gli elementi costitutivi di tutta la materia. Un fermione è definito dal suo spin semiintero, una proprietà che impedisce a un fermione di assumere lo stesso spin di un altro fermione vicino. Questa natura esclusiva è ciò che consente la diversità delle strutture atomiche che si trovano nella tavola periodica degli elementi.

"Se gli elettroni non fossero fermioni, ma felice di essere nello stesso stato, idrogeno, elio, e tutti gli atomi, e noi stessi, sembrerebbe lo stesso, come un terribile, zuppa noiosa, " dice Zwierlein.

I fermioni preferiscono naturalmente tenersi separati l'uno dall'altro. Ma quando sono fatti per interagire fortemente, possono comportarsi come un fluido perfetto, con viscosità molto bassa. Per creare un fluido così perfetto, i ricercatori hanno utilizzato per la prima volta un sistema di laser per intrappolare un gas di atomi di litio-6, che sono considerati fermioni.

I ricercatori hanno configurato con precisione i laser per formare una scatola ottica attorno al gas fermione. I laser erano sintonizzati in modo tale che ogni volta che i fermioni colpivano i bordi della scatola, rimbalzavano nel gas. Anche, le interazioni tra i fermioni sono state controllate per essere tanto forti quanto consentito dalla meccanica quantistica, in modo che all'interno della scatola, i fermioni dovevano scontrarsi tra loro ad ogni incontro. Questo ha fatto sì che i fermioni si trasformassero in un fluido perfetto.

"Dovevamo creare un fluido con densità uniforme, e solo allora potremmo toccare un lato, ascolta l'altro lato, e impara da esso, " Dice Zwierlein. "In realtà è stato abbastanza difficile arrivare a questo punto in cui potevamo usare il suono in questo modo apparentemente naturale".

"Scorrere in modo perfetto"

Il team ha quindi inviato onde sonore attraverso un lato della scatola ottica semplicemente variando la luminosità di una delle pareti, generare vibrazioni sonore attraverso il fluido a frequenze particolari. Hanno registrato migliaia di istantanee del fluido mentre ogni onda sonora si propagava.

"Tutte queste istantanee insieme ci danno un sonogramma, ed è un po' come si fa quando si fa un'ecografia nello studio del medico, " dice Zwierlein.

Alla fine, sono stati in grado di osservare l'increspatura della densità del fluido in risposta a ciascun tipo di onda sonora. Hanno quindi cercato le frequenze sonore che hanno generato una risonanza, o un suono amplificato nel fluido, simile a cantare a un bicchiere di vino e trovare la frequenza con cui si frantuma.

"La qualità delle risonanze mi dice sulla viscosità del fluido, o diffusività sonora, " Spiega Zwierlein. "Se un fluido ha una bassa viscosità, può creare un'onda sonora molto forte ed essere molto rumoroso, se colpito alla giusta frequenza. Se è un fluido molto viscoso, allora non ha buone risonanze."

Dai loro dati, i ricercatori hanno osservato chiare risonanze attraverso il fluido, soprattutto alle basse frequenze. Dalla distribuzione di queste risonanze, hanno calcolato la diffusione sonora del fluido. Questo valore, hanno trovato, potrebbe anche essere calcolato molto semplicemente tramite la costante di Planck e la massa del fermione medio nel gas.

Questo ha detto ai ricercatori che il gas era un fluido perfetto, e fondamentale in natura:la sua diffusione sonora, e quindi la sua viscosità, era al limite più basso possibile fissato dalla meccanica quantistica.

Zwierlein afferma che oltre a utilizzare i risultati per stimare l'attrito quantistico in materia più esotica, come le stelle di neutroni, i risultati possono essere utili per capire come alcuni materiali potrebbero essere realizzati per esibirsi perfettamente, flusso superconduttore.

"Questo lavoro si collega direttamente alla resistenza nei materiali, " dice Zwierlein. "Avendo capito qual è la resistenza più bassa che potresti avere da un gas ci dice cosa può succedere con gli elettroni nei materiali, e come si potrebbero realizzare materiali in cui gli elettroni possano fluire in modo perfetto. È emozionante".