Un gruppo di ricerca internazionale di Innsbruck e Ginevra ha sviluppato un nuovo metodo termometrico per misurare le temperature dei gas quantistici a bassa dimensionalità. Con questo metodo si è riscontrato che la compressione di un gas può portare al raffreddamento. I risultati su questo fenomeno controintuitivo sono stati appena pubblicati su Science Advances .
L'esperienza quotidiana ci dice che la compressione riscalda e l'espansione raffredda. Chiunque abbia gonfiato una ruota di bicicletta lo sa. Entra nella fisica quantistica. Nel mondo quantistico si applicano regole speciali. Le particelle conosciute come bosoni possono condensarsi congiuntamente e diventare superfluide. I fermioni esibiscono il principio di esclusione di Pauli e si eviteranno a vicenda.
Nelle dimensioni ridotte la situazione diventa più complicata. Il ruolo delle fluttuazioni quantistiche è migliorato e i bosoni possono fermionizzare quando le interazioni tra le particelle sono molto forti.
In considerazione di ciò, i sistemi quantistici a dimensionalità ridotta sono diventati un ricco campo di ricerca. Sono usati come piattaforma per la simulazione quantistica. In particolare, i cavi quantistici unidimensionali (1D) hanno attirato l'attenzione diffusa in vista della continua miniaturizzazione dei circuiti elettronici.
La piattaforma sperimentale di atomi freddi confinati a potenziali di luce stretti viene utilizzata per realizzare tali fili quantistici e per simulare quantisticamente le proprietà degli elettroni sotto forte confinamento.
In un lavoro sperimentale e teorico congiunto, svolto a Innsbruck presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale e presso il Dipartimento di Fisica Quantistica della Materia dell'Università di Ginevra, si è scoperto che un sistema quantistico a molti corpi fortemente interagente può sperimentare un raffreddamento quando la dimensionalità è ridotto. Un "pneumatico quantistico" potrebbe quindi raffreddarsi man mano che viene gonfiato.
Questo effetto è contrario alle aspettative e infatti non è stato proposto né previsto in letteratura. L'osservazione è diventata possibile con lo sviluppo di un metodo termometrico che combina esperimento e teoria e che funziona particolarmente bene nel caso di interazioni forti.
"Siamo in grado di misurare le temperature in 1D con una sensibilità nano-Kelvin", afferma Yanliang Guo, uno dei due autori principali di questo studio. "Abbiamo scoperto che la temperatura sale dapprima da 12,5 nK a 17 nK quando comprimiamo da 3D a 2D, per poi scendere a 9 nK quando comprimiamo ulteriormente a 1D."
Il raffreddamento avviene a causa dell'interazione tra il forte confinamento laterale in 1D e le forti interazioni nel regime in cui i bosoni fermionizzare. Nell'esperimento, il team ha verificato che le forti interazioni in 1D sono un requisito necessario affinché avvenga il raffreddamento.
"Il cambiamento da 12,5 a 9 nK non sembra essere molto", dice uno dei capisquadra Hanns-Christoph Nägerl. "Ma dai primi risultati pubblicati ora in questo lavoro congiunto, siamo migliorati in modo significativo e abbiamo visto temperature fino a 2 nK con sensibilità di 1 nK."
Il team prevede che questi risultati susciteranno molto interesse nella comunità scientifica. I sistemi quantistici a molti corpi a bassa dimensione e fortemente correlati presentano una grande varietà di effetti quantistici autentici e la loro indagine potrebbe far luce su molti enigmi della fisica, quello della superconduttività ad alta temperatura è il più importante, con conseguenze di vasta portata se fosse risolto.
In particolare, i sistemi a basso D di atomi ultrafreddi sono ora ampiamente utilizzati come piattaforma per la simulazione quantistica, e una serie di risultati molto interessanti sono stati recentemente ottenuti per sistemi in 1D (ad esempio, sulla pretermalizzazione, fermionizzazione dinamica, flusso di calore anomalo, spin -separazione di carica).
"La temperatura gioca un ruolo cruciale per tutti i sistemi quantistici, e quindi essere in grado di misurarla è della massima importanza", afferma Hepeng Yao, il teorico principale di questo studio. "Tuttavia, fino ad ora, questo non è stato fatto per sistemi quantistici a molti corpi 1D e 2D isolati e fortemente correlati."
Thierry Giamarchi, capogruppo di Ginevra, afferma:"Troviamo concettualmente molto interessante che le temperature possano scendere man mano che aumenta il grado di confinamento. Ciò è contrario all'intuizione comune e mostra gli effetti sottili che possono verificarsi nel mondo quantistico."
Ulteriori informazioni: Yanliang Guo et al, Raffreddamento anomalo dei bosoni mediante riduzione dimensionale, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6870
Fornito dall'Università di Innsbruck
