Lo 'scivolamento' di un fluido quantistico composto da luce e materia rivela proprietà superfluide.

Un team di fisici guidato dall'Australia ha creato con successo liquidi quantistici che sgorgano in un "secchio" formato da laser di contenimento.

"Ci si aspetta che questi fluidi quantistici siano ondulati come gli oceani, ma catturare immagini nitide delle onde è una sfida sperimentale, " dice l'autore principale Dr. Eliezer Estrecho.

Guidato dall'Australian National University (ANU), il team ha osservato casualmente il movimento ondulatorio del fluido quantistico in un secchio controllato otticamente, acquisire nuove intuizioni sulle intriganti proprietà superfluidi di questo peculiare, sistema ibrido luce-materia.

La superfluidità è il flusso di particelle senza subire resistenza, ed è perseguito dai ricercatori FLEET per future applicazioni nell'elettronica a bassissima energia.

Riempire il secchio con il fluido quantistico ha portato allo scroscio

Il team ha eseguito gli esperimenti in un "secchio" realizzato con il laser che intrappola particelle chiamate eccitoni-polaritoni, che sono particelle ibride di materia leggera in un semiconduttore.

Quando queste particelle si raffreddano formano un oggetto quantistico gigante chiamato condensato di Bose-Einstein (a volte indicato come il quinto stato della materia), in cui i fenomeni quantistici possono essere visti su scala macroscopica.

"L'energia in eccesso persa dalle particelle di raffreddamento non scompare facilmente, quindi la condensa mostrerà una sorta di comportamento ondulato, che è casuale per ogni realizzazione della condensazione, ", afferma l'autore corrispondente, la prof.ssa Elena Ostrovskaya.

Questa casualità rende difficile rilevare le oscillazioni transitorie con le telecamere di imaging, poiché sarà media nell'esperimento.

Però, casualmente, il 'secchio' è inclinato.

"Nella maggior parte degli esperimenti, cerchiamo di evitare il tilt poiché complica l'analisi, " dice il dottor Estrecho.

"Ma in questo caso l'inclinazione "fastidiosa" ha consentito l'osservazione dell'oscillazione perché è favorevole che la condensa scivoli lungo la direzione dell'inclinazione.

L'oscillazione sloshing è stata osservata sia nella posizione che nella quantità di moto del condensato, che mostra magnificamente le leggi della meccanica quantistica su una scala macroscopica che può essere vista da un normale microscopio. Però, le oscillazioni sono estremamente veloci, in modo che fosse possibile osservarli solo utilizzando una telecamera con una risoluzione temporale della scala dei picosecondi.

Studiare la velocità del suono nei superfluidi

La vera bellezza dell'esperimento risiede nell'analisi delle frequenze di oscillazione poiché è direttamente correlata alla velocità del suono e può sondare le proprietà superfluide del fluido quantistico. Ciò è particolarmente rilevante poiché questo particolare fluido quantistico può esistere a temperatura ambiente, e quindi è promettente per le applicazioni dei dispositivi.

Utilizzando un'analisi intelligente, il team ha estratto la velocità del suono dai dati sperimentali, e ha scoperto che è più piccolo di quanto previsto dalle teorie prevalenti. Il team ha sostenuto che la discrepanza deriva dall'esistenza di un serbatoio invisibile di particelle simili a materia calda che interagiscono con le particelle ibride luce-materia.

Per di più, l'esperimento fornisce anche indizi sui possibili effetti che possono rallentare il superfluido. A temperatura zero assoluto, le oscillazioni dovrebbero non finire mai poiché il sistema è un superfluido. Però, a temperatura finita, Questo non è il caso, quindi studiare i tassi di smorzamento delle oscillazioni è essenziale per comprendere il superfluido.

I primi risultati mostrano che né le particelle serbatoio, temperatura finita, o la breve durata intrinseca degli eccitoni-polaritoni può spiegare esclusivamente i tassi di smorzamento osservati. Quindi, sono necessari ulteriori studi teorici che combinino questi effetti ed esperimenti attentamente controllati per comprendere meglio il fluido quantistico di non equilibrio.

Oscillazioni collettive a bassa energia e suono di Bogoliubov in un condensato eccitone-polaritone è stato pubblicato come suggerimento dell'editore in Lettere di revisione fisica nel febbraio 2021.