svolta nello studio della superfluidità

Un team di ricerca che coinvolge il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare LENS, l’Istituto nazionale di ottica del CNR di Sesto Fiorentino e le Università di Firenze, Trieste e Trento ha sviluppato una tecnica innovativa basata sulla propagazione di onde sonore per studiare la materia in condizioni estreme. Il risultato è pubblicato su Nature Physics.

Una nuova tecnica acustica per studiare la materia quantistica

Il gruppo di ricerca ha utilizzato l’effetto Doppler, fenomeno per cui, come accade alla sirena di un’ambulanza, la frequenza percepita cambia se la sorgente si avvicina o si allontana. Applicando questo principio ai superfluidi di Fermi, il team ha osservato come il suono propagato in un superfluido in rotazione cambi in funzione del verso rispetto al flusso.

«Allo stesso modo, il suono che si propaga in un superfluido in rotazione cambia a seconda che si muova nella stessa direzione o in quella opposta: grazie a queste minuscole variazioni il team ha svelato la struttura interna nei gas di Fermi superfluidi, sistemi costituiti da atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. In tali condizioni, le particelle di Fermi si accoppiano dando origine alla superfluidità, uno stato della materia in cui scompare l’attrito» spiegano Marcia Fròmeta Fernandez e Diego Hernandez-Rajkov, ricercatori Cnr-Ino e principali autori.

Osservata la quantizzazione della circolazione

Gli scienziati hanno creato un superfluido di Fermi a forma di anello, dove le onde sonore si diffondono contemporaneamente in due direzioni opposte. Quando il sistema viene messo in rotazione, le onde accumulano una differenza di frequenza, sintomo chiave dell’effetto Doppler. «Misurando con estrema precisione questo effetto, abbiamo dimostrato che la circolazione del superfluido nell’anello non può assumere valori arbitrari, ma solo valori quantizzati (cioè discreti), determinati dal rapporto tra la costante di Planck e la massa delle particelle. In questo caso, tali valori risultano dimezzati rispetto a quelli previsti per particelle singole» chiarisce Francesco Scazza, docente di fisica della materia dell’Università di Trieste.

«La nostra osservazione dimostra che il superfluido è costituito da fermioni che si accoppiano due a due, formando le cosiddette coppie di Cooper, analogamente ai superconduttori. Il risultato conferma che, anche in questi sistemi gassosi ultrafreddi, la superfluidità nasce dalla formazione di coppie di fermioni» aggiunge Giacomo Roati, dirigente di ricerca Cnr-Ino e responsabile del gruppo sperimentale.

Prospettive e nuove applicazioni per la fisica quantistica

Lo studio conferma le enormi potenzialità dell’interferometria atomica, una tecnica che usa le proprietà ondulatorie degli atomi per misure estremamente precise. In questa ricerca, la tecnica è stata implementata usando onde sonore nel superfluido, dimostrandosi un efficace strumento per indagare sistemi quantistici fortemente correlati.

Tra i risultati ottenuti figura anche l’osservazione della progressiva riduzione della superfluidità con l’aumento della temperatura. «Si apre una nuova strada per studiare il comportamento collettivo delle particelle e per comprendere i meccanismi alla base di superfluidità e superconduttività, dinamiche fondamentali per le tecnologie quantistiche» concludono Massimo Inguscio (LENS) e Sandro Stringari (Università di Trento), storici protagonisti della fisica atomica in Italia.

Il traguardo arriva a cento anni dalla formulazione della statistica di Fermi realizzata nel 1926 sulle colline di Arcetri, Università di Firenze, oggi fondamentale per descrivere il comportamento di elettroni, protoni e neutroni nella materia.