La materia quantistica rivela i suoi segreti attraverso il suono. Un team di ricerca guidato dal Cnr-Ino e dal Lens ha misurato per la prima volta la struttura interna dei gas di Fermi superfluidi a temperature prossime allo zero assoluto. L’esperimento sfrutta l’effetto Doppler delle onde sonore per indagare la materia quantistica in condizioni estreme. La scoperta è stata pubblicata sulla rivista internazionale “Nature Physics”.
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L’effetto Doppler e la struttura del superfluido
I ricercatori dei laboratori di Sesto Fiorentino hanno impiegato un fenomeno acustico noto per studiare dinamiche atomiche complesse. Si tratta dello stesso principio fisico per cui la sirena di un’ambulanza cambia tonalità durante il movimento. L’indagine coinvolge anche le Università di Firenze, Trieste e Trento.
I dettagli dell’esperimento emergono dalle parole dei ricercatori del Cnr-Ino, Marcia Fròmeta Fernandez e Diego Hernandez-Rajkov: «Allo stesso modo, il suono che si propaga in un superfluido in rotazione cambia a seconda che si muova nella stessa direzione od opposta rispetto al superfluido: grazie a queste minuscole variazioni che il team è riuscito a svelare 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».
La geometria del sistema ha svolto un ruolo decisivo. «Abbiamo creato un superfluido di Fermi a forma di anello, in cui onde sonore si propagano simultaneamente in direzioni opposte. Quando viene messo in rotazione, le onde sonore risentono in modo diverso del flusso, accumulando una piccolissima differenza di frequenza: l’effetto Doppler».
Quantizzazione della circolazione e coppie di Cooper
La misurazione ad altissima precisione della differenza di frequenza ha mostrato vincoli quantistici precisi. Il flusso del superfluido non si muove in modo casuale.
Francesco Scazza, docente di fisica della materia all’Università di Trieste, chiarisce: «Si è 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».
La massa misurata indica la presenza di legami specifici tra i fermioni. La conferma arriva da Giacomo Roati, dirigente di ricerca del Cnr-Ino e responsabile del gruppo sperimentale: «La nostra osservazione dimostra che il superfluido è costituito da fermioni che si accoppiano due a due, forming unità quantistiche composite di massa doppia, le cosiddette coppie di Cooper, analogamente a quanto avviene nei superconduttori. Il risultato conferma che, anche in questi sistemi gassosi ultrafreddi, la superfluidità nasce dalla formazione di coppie di fermioni».
Nuove frontiere per la tecnologia quantistica
L’interferometria atomica acustica apre scenari inediti per la fisica fondamentale. Gli scienziati hanno osservato anche la progressiva riduzione della superfluidità all’innalzarsi della temperatura.
Massimo Inguscio del LENS e Sandro Stringari del Pitaevskii BEC Center dell’Università di Trento evidenziano le prospettive dello studio: «Si apre una nuova strada per studiare il comportamento collettivo delle particelle e approfondire la comprensione dei meccanismi alla base della superfluidità e della superconduttività, di dinamiche della materia quantistica ancora misteriose e di fondamentale importanza per le moderne tecnologie quantistiche».
Il risultato scientifico coincide con una ricorrenza teorica di primo piano. Nel 1926 Enrico Fermi formulò la sua celebre statistica quantistica sulle colline di Arcetri, concepita per descrivere particelle fondamentali come elettroni, protoni e neutroni. A distanza di un secolo, quindi, la ricerca fiorentina continua a spingere in avanti la comprensione dell’universo microscopico.
