Le transizioni di fase descrivono cambiamenti drammatici nelle proprietà di un sistema macroscopico, come la transizione da un liquido a un gas. Partendo da singoli atomi ultrafreddi, I fisici dell'Università di Heidelberg sono stati in grado di osservare l'emergere di tale transizione con un numero crescente di particelle. Il lavoro di ricerca è stato svolto nel campo della fisica quantistica sotto la direzione del Prof. Dr. Selim Jochim dell'Istituto di Fisica.

Per formulare teorie efficaci in fisica, i dettagli microscopici sono accantonati a favore di quantità osservabili macroscopicamente. Una tazza d'acqua può essere descritta da proprietà come pressione, temperatura e densità del fluido, mentre la posizione e la velocità delle singole molecole d'acqua sono irrilevanti. Una transizione di fase descrive il cambiamento di un sistema macroscopico da uno stato della materia, come fluido, a un diverso stato della materia, come gassoso. Le proprietà dei sistemi macroscopici, i cosiddetti sistemi a molti corpi, possono essere descritte come emergenti perché risultano dall'interazione di singoli componenti che di per sé non possiedono queste proprietà.

"Sono stato a lungo interessato a come questo drammatico cambiamento macroscopico in una transizione di fase emerga dalla descrizione microscopica, " afferma Selim Jochim. Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno progettato un esperimento in cui hanno assemblato un sistema da singoli atomi ultrafreddi. Usando questo simulatore quantistico, hanno studiato come nasce il comportamento collettivo in un sistema microscopico. A tal fine, hanno intrappolato fino a dodici atomi in un raggio laser ben focalizzato. In questo sistema artificiale è possibile sintonizzare continuamente la forza di interazione tra gli atomi da non interagenti ad essere la più grande scala di energia nel sistema. "Da una parte, il numero di particelle nel sistema è abbastanza piccolo da descrivere il sistema microscopicamente. D'altra parte, gli effetti collettivi sono già evidenti, " spiega Luca Bayha, un postdoc nel team del Prof. Jochim.

Nel loro esperimento, i fisici di Heidelberg hanno configurato il simulatore quantistico in modo tale che gli atomi si attraggano l'un l'altro, e se l'attrazione è abbastanza forte, formare coppie. Queste coppie di atomi sono l'ingrediente necessario per una transizione di fase a un superfluido, uno stato in cui le particelle scorrono senza attrito. Gli attuali esperimenti si sono concentrati su quando emerge la formazione della coppia in funzione della forza di interazione e del numero di particelle. "Il risultato sorprendente del nostro esperimento è che solo sei atomi mostrano tutte le firme di una transizione di fase prevista per un sistema a molte particelle, "aggiunge Marvin Holten, uno studente di dottorato nel gruppo del Prof. Jochim.