Possiamo imparare molto studiando i cambiamenti microscopici e macroscopici in un materiale mentre passa da una fase all'altra, per esempio dal ghiaccio all'acqua al vapore.

Ma mentre queste transizioni di fase sono ben comprese nel caso dell'acqua, si sa molto meno della dinamica quando un sistema passa dall'essere un fluido normale a un superfluido, che può scorrere senza attrito, cioè senza perdere alcuna energia.

Un nuovo studio di Swinburne che osserva la transizione di un gas atomico da fluido normale a superfluido fornisce nuove intuizioni sulla formazione di questi straordinari stati, in vista del futuro, a base di superfluidi, tecnologie quantistiche, come l'elettronica a bassissima energia.

Si è visto che la formazione di superfluidi coinvolge una serie di tempi diversi, associati a diversi processi dinamici che si verificano quando si attraversa il confine di fase.

Comprendere le transizioni dinamiche, verso le tecnologie del futuro

In quanto disequilibrio, processo dinamico, le transizioni di fase sono difficili da comprendere da una prospettiva teorica, all'interno di questi affascinanti e potenzialmente utili stati della materia.

Tali fenomeni di non equilibrio nei sistemi quantistici a molti corpi implicano una complessa interazione di correlazioni che abbracciano scale spazio-temporali molto diverse. L'accesso alla dinamica completa nella maggior parte dei materiali può essere proibito dai tempi ultrabrevi.

Le future tecnologie basate su stati quantistici come i superfluidi o i superconduttori dovranno essere "attivate" (attivate/disattivate), quindi capire come si evolvono i sistemi dopo il passaggio risponde a importanti domande di base, come la velocità di funzionamento di tali dispositivi.

La formazione di un superfluido implica il movimento correlato dei numerosi costituenti microscopici all'interno di una vasta collezione di particelle quantomeccaniche.

"Tuttavia, i gas diluiti degli atomi ultrafreddi, consentire misurazioni della dinamica in tempo reale su scale temporali accessibili, " spiega l'autore principale Dr. Paul Dyke (Swinburne).

"Qui usiamo un gas ultrafreddo di atomi fermionici fortemente interagenti (cioè, un gas di Fermi), studiare come si formano le correlazioni necessarie per formare un superfluido dopo un improvviso spegnimento delle interazioni. Questo porta il sistema fuori equilibrio".

"Misurando le successive dinamiche man mano che il sistema torna all'equilibrio possiamo risolvere le diverse scale temporali coinvolte, per creare le varie correlazioni. Questi tempi dipendono dalle corrispondenti scale di lunghezza, con correlazioni a corto raggio e formazione di coppie che si sviluppano rapidamente, mentre la distribuzione complessiva della quantità di moto può richiedere diversi ordini di grandezza in più per raggiungere l'equilibrio".

Il nuovo esperimento ha mostrato che:

• La formazione e la condensazione di coppie di fermioni possono avvenire su scale temporali molto diverse, a seconda della velocità del quench.
• Il parametro di contatto è visto per rispondere molto rapidamente ai cambiamenti nella forza di interazione, indicando che le correlazioni a breve raggio, evolvono molto più rapidamente delle correlazioni a lungo raggio necessarie per formare un condensato di Bose-Einstein di coppie di atomi.

Il parametro di contatto quantifica la probabilità di trovare due atomi molto vicini l'uno all'altro, ed è fortemente potenziato quando gli atomi formano coppie.

"Dynamics of a Fermi Gas Quenched to Unitarity" è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica a settembre 2021.