Un atomo di impurità può evolvere gradualmente in una quasiparticella interagendo con un mezzo circostante. Questo processo è simile alla distorsione di un reticolo cristallino causata da un elettrone che si muove attraverso un solido come mostrato nell'inserto. Credito:CCQ, Università di Aarhus.
Negli ultimi decenni, i fisici di tutto il mondo hanno cercato di ottenere una migliore comprensione delle dinamiche di non equilibrio nei sistemi quantistici a molti corpi. Alcuni studi hanno studiato le cosiddette quasiparticelle, disturbi o entità nei sistemi fisici che mostrano un comportamento simile a quello delle particelle.
I ricercatori dell'Università di Aarhus hanno recentemente condotto uno studio che studia le dinamiche di non equilibrio di un'impurità quantistica immersa in un ambiente bosonico. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , fa luce sul comportamento dinamico dei sistemi a molti corpi interagenti, migliorando anche l'attuale comprensione di come si formano i polaroni di Bose.
"Il nostro recente articolo fa parte di un'ampia indagine sulle cosiddette quasiparticelle ed è il culmine di una fruttuosa collaborazione tra fisici sperimentali e teorici dell'Università di Aarhus, " Magnus G. Skou, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Le quasiparticelle sono estremamente interessanti, poiché possono consistere di innumerevoli particelle e delle loro eccitazioni."
L'idea delle quasiparticelle è stata introdotta per la prima volta negli anni '30 dal fisico Lev Landau, che stava cercando di ottenere una migliore comprensione dei sistemi quantistici complessi. Gli esperimenti condotti da Skou e dai suoi colleghi si basano su modelli creati da Landau.
Nei loro studi, i ricercatori hanno preparato stati di sovrapposizione coerenti di atomi in un condensato di Bose-Einstein con un piccolo componente di stato di impurità utilizzando una tecnica interferometrica. Successivamente, hanno monitorato l'evoluzione di queste sovrapposizioni quantistiche e la loro transizione in quasiparticelle polaroniche.
Una parte centrale dell'esperimento, dove gli atomi sono inizialmente intrappolati e raffreddati a temperature ben al di sotto di quella dello spazio interstellare. Credito:Lars Kruse/AU foto.
Sorprendentemente, i ricercatori hanno potuto osservare la nascita di una classe unica di quasiparticelle, chiamati polaroni di Bose, per la prima volta. Mentre in passato diversi gruppi di ricerca hanno rilevato segni di queste quasiparticelle in ambienti di laboratorio, finora osservare la loro graduale formazione nel tempo si è rivelato molto impegnativo, principalmente perché i processi attraverso i quali si formano sono estremamente veloci.
"Abbiamo studiato come le impurità interagiscono con un mezzo puro e si trasformano in polaroni di Bose, " ha spiegato Skou. "I nostri esperimenti sono stati eseguiti utilizzando un mezzo di atomi raffreddati a una temperatura incredibilmente bassa di solo un miliardesimo grado sopra lo zero assoluto, che è molto al di sotto della temperatura dello spazio esterno."
Usando un gas di atomi ultrafreddi, Skou ei suoi colleghi sono stati in grado di studiare le impurità quantistiche in ambienti estremamente puri e ben controllati. Queste impurità sono state create trasferendo alcuni degli atomi medi in uno speciale stato quantico di impurità, utilizzando un impulso a radiofrequenza ultraveloce di soli 0,5 µs.
"Abbiamo scoperto che le impurità hanno iniziato a interagire dinamicamente con gli atomi del mezzo e abbiamo misurato questa evoluzione utilizzando un altro breve impulso a radiofrequenza, " ha detto Skou. "Questo schema a due impulsi ci ha permesso di osservare l'eventuale formazione di quasiparticelle del polarone."
Una parte del team sperimentale nel 2018, quando sono iniziate le prime indagini. Il prof. Jan Arlt (al centro) tiene in mano una cella di vetro in cui gli atomi sono intrappolati e raffreddati. Credito:Lars Kruse/AU foto.
Nei loro esperimenti, Skou ei suoi colleghi hanno osservato tre regimi distinti di evoluzione dell'impurità contrassegnati da transizioni dinamiche. Questi regimi quindi collegano le dinamiche fisiche iniziali a pochi corpi e successivamente a molti corpi.
"Il nostro studio è un grande passo avanti nella comprensione dei polaroni di Bose, le loro dinamiche di non equilibrio e come si formano, " ha detto Skou. "Questi fenomeni quantistici sono estremamente affascinanti da soli, ma si ipotizza inoltre che siano elementi chiave in tecnologie esotiche come i semiconduttori organici e i superconduttori".
Nel futuro, i risultati raccolti da Skou e dai suoi colleghi potrebbero aprire nuove possibilità per lo studio dei fenomeni quantistici di non equilibrio, che a sua volta potrebbe informare lo sviluppo di nuove tecnologie basate su semiconduttori e superconduttori. Nei loro studi successivi, i ricercatori hanno anche in programma di studiare i modi in cui i polaroni interagiscono tra loro.
"Queste interazioni sono state previste teoricamente nel 2018 per consentire a due polaroni di legarsi tra loro, che genera un'intera nuova quasiparticella nota come bipolarone di Bose, " ha detto Skou. "Questo aggiunge un livello completamente nuovo di fisica quantistica eccitante ma complessa. Sebbene questa quasiparticella non sia stata ancora vista in un gas ultrafreddo, crediamo che il nostro esperimento possa avere il potenziale per osservarne l'esistenza".
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