Rendering artistico dell'esperimento realizzato dai ricercatori. Nel futuro, hanno in programma di estendere i loro metodi di imaging e analisi ai sistemi interagenti, studiare accoppiamenti e superfluidità in sistemi di Fermi mesoscopici fortemente correlati. Crediti:Jonas Ahlstedt, Centro di bioimmagini di Lund (LIBC).
Il principio di esclusione di Pauli è una legge della meccanica quantistica introdotta dal fisico austriaco Wolfgang Pauli, che offre preziose informazioni sulla struttura della materia. Più specificamente, il principio di Pauli afferma che due o più fermioni identici non possono occupare contemporaneamente lo stesso stato quantistico all'interno di un sistema quantistico.
I ricercatori dell'Istituto di fisica dell'Università di Heidelberg hanno recentemente osservato questo principio direttamente in un sistema continuo composto da un massimo di sei particelle. Il loro esperimento, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe aprire la strada a una migliore comprensione dei sistemi fortemente interagenti costituiti da fermioni.
"La visione di studiare sistemi complessi a molti corpi partendo da piccoli, capito bene, building blocks ha una lunga storia nel nostro gruppo, " Luca Bayha e Marvin Holten, due dei ricercatori che hanno condotto il recente studio, detto a Phys.org via e-mail. "Questo è iniziato con esperimenti in cui abbiamo formato un mare di fermi un atomo alla volta, culminando in uno dei nostri ultimi studi in cui abbiamo potuto osservare i segni di una transizione di fase quantistica in sistemi di soli sei atomi".
Negli ultimi anni, Bayha, Holten e i loro colleghi si sono impegnati molto nello sviluppo di una nuova tecnica che consente loro di visualizzare singoli atomi in sistemi mesoscopici, per esaminarli più in dettaglio. Nel loro recente studio, hanno applicato per la prima volta questa tecnica a sistemi continui fino a sei atomi fermionici non interagenti.
Il cristallo di Pauli mostra in quale configurazione tre atomi fermionici si allineano più frequentemente in una trappola armonica bidimensionale. Le forti correlazioni tra le posizioni relative delle particelle non interagenti sono il risultato del principio di esclusione di Pauli. L'immagine è stata creata analizzando diverse migliaia di immagini sperimentali con risoluzione di un singolo atomo. Crediti:Gruppo Selim Jochim, Università di Heidelberg.
"L'obiettivo principale del nostro studio era osservare correlazioni di ordine superiore in un sistema continuo, " Bayha e Holten hanno detto. "Il sistema non interagente funge da punto di partenza ideale per confrontare il nostro esperimento".
Nel 2016, un gruppo di ricerca guidato da Mariusz Gajda ha proposto per la prima volta che le correlazioni di ordine superiore potrebbero essere visualizzate come "cristalli di Pauli". I cristalli di Pauli sono bellissimi modelli che possono emergere in una nuvola di fermioni intrappolati e non interagenti.
Finora, Bayha, Holten e i loro colleghi hanno osservato questi modelli in sistemi contenenti fino a sei particelle. Nel futuro prossimo, però, sperano di condurre ulteriori esperimenti con più particelle e interazioni forti. Ciò consentirebbe loro di esaminare ulteriormente l'accoppiamento e la superfluidità nei sistemi 2-D.
"L'osservazione diretta del principio di Pauli nei sistemi continui impone requisiti piuttosto impegnativi all'esperimento, " Bayha e Holten hanno spiegato. "Il sistema deve essere abbastanza freddo e controllato su scale di energia assoluta molto basse. Solo allora, le funzioni d'onda delle singole particelle si sovrappongono e la loro natura fermionica diventa importante."
Il cristallo di Pauli mostra in quale configurazione sei atomi fermionici si allineano più frequentemente in una trappola armonica bidimensionale. Le forti correlazioni tra le posizioni relative delle particelle non interagenti sono il risultato del principio di esclusione di Pauli. L'immagine è stata creata analizzando diverse migliaia di immagini sperimentali con risoluzione a singolo atomo. Crediti:Gruppo Selim Jochim, Università di Heidelberg.
Per garantire che potessero osservare direttamente il principio di Pauli nei sistemi continui, i ricercatori hanno perfezionato una tecnica di raffreddamento di cui sono stati pionieri alcuni anni fa. Questa tecnica consente la rimozione di tutti gli atomi "caldi" con energie più elevate da un sistema in modo deterministico. Rimuovendo questi atomi, i ricercatori sono stati in grado di preparare il terreno del sistema (cioè, stato energetico più basso) con alti livelli di fedeltà.
Dopo aver raffreddato abbastanza un sistema, Bayha, Holten e i suoi colleghi avevano bisogno di raccogliere osservazioni con una risoluzione di un singolo atomo e un'elevata fedeltà di rilevamento, osservare il principio di Pauli. Hanno raggiunto questo obiettivo lasciando che la nuvola di atomi si espandesse per un dato tempo prima di scattare un'immagine.
Rendering del setup sperimentale (non in scala). Gli atomi sono intrappolati in un unico sito di un attraente foglio di luce ("pancake") sovrapposto con una pinzetta ottica ben focalizzata. Il sistema viene ripreso con la risoluzione di un singolo atomo attraverso un obiettivo ad alta risoluzione (in alto). Crediti:Gruppo Selim Jochim, Università di Heidelberg.
"Il metodo che abbiamo utilizzato ingrandisce efficacemente il sistema di un fattore 50, " Dissero Bayha e Holten. "Quindi illuminiamo la nuvola con due raggi laser opposti e raccogliamo fotoni sparsi su una fotocamera estremamente sensibile che rileva quasi ogni singolo fotone che colpisce il chip. Insieme, questi metodi ci consentono di risolvere singoli atomi con probabilità di rilevamento dell'ordine del 99%".
Immagine della configurazione sperimentale dei ricercatori. La camera a vuoto principale a forma di ottagono si trova al centro dell'immagine. Qui, una pinzetta ottica viene sovrapposta a una trappola a foglio leggero ("pancake") per creare una geometria di intrappolamento bidimensionale per gli atomi. Crediti:Gruppo Selim Jochim, Università di Heidelberg.
Le osservazioni raccolte da questo team di ricercatori dimostrano che la correlazione tra le singole particelle può essere osservata anche nei sistemi continui, in cui le funzioni d'onda delle singole particelle si sovrappongono. Finora, il Bayha, Holten e i loro colleghi hanno usato la tecnica che hanno sviluppato per osservare i cristalli di Pauli, che sono bellissime visualizzazioni del principio di Pauli. Però, la stessa tecnica potrebbe presto essere utilizzata anche per esplorare altri sistemi a molti corpi fortemente correlati.
Immagine singola di sei atomi fermionici confinati in una trappola per oscillatori armonici bidimensionali. L'immagine è stata scattata dopo un ampliamento del sistema al fine di aumentare la risoluzione effettiva. Crediti:Gruppo Selim Jochim, Università di Heidelberg.
"Ora abbiamo in programma di estendere il metodo di imaging ai sistemi interagenti, " Dissero Holten e Bayha. "Ecco, le correlazioni tra le particelle non sorgono per il principio di Pauli ma sono dovute alle interazioni. Questo ci consentirà di sondare come le correlazioni nei sistemi interagenti sorgono a livello microscopico e fornire nuove informazioni sulla materia fermionica e i superfluidi che interagiscono fortemente".
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