Atomi sotto la lente: nuova tecnica rileva interazioni inedite nello spazio libero

Finora, l'osservazione di atomi interagire liberamente nello spazio era rimasta una sfida insormontabile. Tuttavia, una nuova tecnica di microscopia con risoluzione atomica (nota come "non-resolved microscopy") ha cambiato lo scenario. I fisici del MIT sono riusciti a catturare immagini dettagliate di bosoni e fermioni mentre interagiscono, dopo averli congelati e illuminati. Queste immagini non solo rappresentano una pietra miliare nella fisica, ma confermano anche previsioni teoriche di lunga data sul comportamento di questi tipi di atomi, fornendo una prova tangibile che le previsioni matematiche hanno un riscontro nel mondo fisico.

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Cosa fanno gli atomi quando non sono sotto osservazione? A quanto pare, si comportano esattamente come la scienza ha sempre ipotizzato. Gli atomi, enigmatici per la loro natura quantistica – il fatto che si comportano sia come particelle che come onde – non erano mai stati visualizzati in libera interazione tra loro. La difficoltà risiedeva nell'impossibilità di determinare simultaneamente la posizione e la velocità di un atomo. In passato, si potevano distinguere la forma e la struttura di intere nubi atomiche usando sonde, ma i singoli atomi all'interno della nube rimanevano sfuggenti. Ora, un team di ricercatori del MIT, guidato dal fisico Martin Zwierlein, è finalmente riuscito a catturare per la prima volta queste interazioni.

Il team ha sviluppato una tecnica innovativa che ha permesso di congelare gli atomi e di esporli a laser. Gli scienziati sono riusciti a visualizzare con successo i bosoni di un isotopo di sodio e i fermioni di un isotopo di litio prima che questi atomi si disperdessero. I bosoni (come il Bosone di Higgs) hanno spin intero, mentre i fermioni (come elettroni, protoni e neutroni) hanno spin semi-intero dispari. Entrambi gli isotopi sono stati utilizzati sotto forma di gas quantistici.

La teoria prevedeva che i bosoni si raggruppassero in forma di onda, esibendo la componente ondulatoria del comportamento quantistico, mentre i fermioni dovrebbero respingersi tra loro e formare coppie con fermioni diversi, descrivendo così il comportamento delle particelle. La probabilità di trovare bosoni vicini è alta, mentre quella di trovare fermioni così vicini è bassa. Per permettere l'osservazione, i gas sono stati raffreddati a temperature ultra-fredde, poiché il calore causa l'agitazione degli atomi.

"L'imaging dei gas quantistici in situ, con una risoluzione pari a quella dei singoli atomi, consente di raggiungere la massima profondità d'informazioni ottenibile nello spazio reale", hanno dichiarato Zwierlein e il suo team in uno studio recentemente pubblicato su Physical Review Letters.

La loro nuova tecnica prevede l'utilizzo di un raggio laser per intrappolare gli atomi in un unico punto. Qui, gli atomi sono liberi di interagire prima di essere esposti a un reticolo di luce che li congela. Successivamente, gli atomi vengono illuminati con luce fluorescente per rivelare la loro posizione e attività. L'irradiazione ha presentato delle difficoltà, poiché un calore eccessivo avrebbe disperso gli atomi. Di conseguenza, è la prima volta che Zwierlein è riuscito a congelare in situ il moto di atomi fortemente interagenti, catturando immagini sia di bosoni che di fermioni.

Con i bosoni, il team ha formato un condensato di Bose-Einstein, una nube di gas bosonico raffreddata a temperature prossime allo zero assoluto. L'obiettivo era dimostrare la teoria secondo cui i bosoni si raggruppano grazie all'alta probabilità di essere vicini e alla loro capacità di condividere la stessa onda quantistica. Le immagini dei bosoni mostrano atomi che si raggruppano con scie luminose ondulatorie dietro di loro, indicando il loro movimento in forma di onde.

Per riprodurre una nube di fermioni, il team ha avuto bisogno di due tipi di fermioni, poiché i fermioni di un solo tipo tendono a respingersi. Le osservazioni hanno confermato che i fermioni dello stesso tipo si evitavano, mentre quelli opposti si attraevano, formando coppie.

Zwierlein prevede di continuare a utilizzare la microscopia con risoluzione atomica per approfondire la comprensione del mondo fisico e, potenzialmente, riprodurre fenomeni quantistici più "esotici". Richard Fletcher, coautore dello studio e fisico del MIT, ha affermato: "Questo tipo di combo è alla base di una costruzione matematica inventata per spiegare gli esperimenti. Ma quando si vedono immagini come queste, si tratta di mostrare in una fotografia un oggetto che è stato scoperto nel mondo della matematica." 

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