Image Credit: Steven Burrows/JILA

Introduzione

L’effetto Efimov è un fenomeno quantistico esotico in cui tre corpi interagenti formano una triade debolmente legata. I ricercatori hanno osservato questo effetto in atomi ultrafreddi, in cui gli stati legati ad Efimov sembrano avere la stessa dimensione universale e struttura energetica per qualsiasi specie atomica scelta. 

Tuttavia, un nuovo studio di Roman Chapurin del JILA, Colorado, e colleghi, riporta le prime convincenti prove di allontanamento dalla cosiddetta universalità di van der Waals: i ricercatori hanno osservato “Efimov trimers” le cui dimensioni differiscono dal valore universale previsto. Hanno sviluppato anche un nuovo modello di fisica a tre corpi che spiega il comportamento non universale.

Questa ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters il 2 dicembre 2019 .

Interazioni tra tre atomi

Comprendiamo abbastanza bene come si comporta un singolo atomo. Due atomi che interagiscono tra loro? Ancora risolvibile. Ma diventa esponenzialmente più complicato caratterizzare il modo in cui tre atomi o particelle interagiscono tra loro, ha spiegato Xin Xie, laureato presso la JILA – Cornell Group.

Studiamo la fisica dei tre corpi perché ci sono ancora misteri in questo tipo di interazione“, ha detto Xie. Quelle interazioni – indipendentemente dal fatto che le particelle si respingano a vicenda, si rompano insieme o si orbitino in perfetta armonia – dominano il mondo quantistico. 

Capire come funzionano queste forze all’interno di un semplice atomo di idrogeno, con il suo singolo protone positivo e l’elettrone negativo, è relativamente facile, ha spiegato Eric Cornell, collega del JILA. “Gli atomi non sono come i protoni. Sono pieni di pulegge, campane e fischietti“, ha detto. Tutte quelle strutture nelle “viscere” di ogni specie di atomo significavano che quando tre atomi si avvicinavano troppo tra loro, nessuna formula matematica poteva predire come tutti e tre avrebbero interagito, ha detto Cornell.

Un punto debole

Ma anni di dati sperimentali hanno scoperto che c’era un punto debole, un intervallo universale in cui i comportamenti di tre atomi possono essere scomposto come un problema di due atomi. A quella distanza, gli atomi vengono fermati in rotta l’uno verso l’altro, mantenendoli alla giusta distanza.

Quella gamma è stata dettata dalla forza di van der Waals. E conoscendo la potenza della forza di van der Waals tra due atomi, possiamo facilmente prevedere la distanza più breve che possono raggiungere tre atomi senza schiantarsi l’uno contro l’altro o respingersi a vicenda. Non sembra importare quale specie di atomi si guardi; la forza di van der Waals determina sempre interazioni a tre atomi.

Nell’ultimo decennio, questa universalità di van der Waals era stata ampiamente accettata … fino ad ora. Xie e il Cornell Group hanno recentemente scoperto che questa universalità ha un limite. Le loro scoperte sollevano una domanda importante: quando si tratta di interazioni di tre corpi, quanto sono importanti quelle pulegge, campane e fischietti, quelle strutture innate che compongono una singola specie di atomo?

Molto tempo fa si pensava che queste strutture fossero così importanti. Poi hanno scoperto che forse non lo sono“, ha spiegato Xie. “Ma poi affermiamo che contano ancora … può causare qualche deviazione dall’universalità di van der Waals“.

Portarlo al limite

Per trovare il limite, devi davvero scavare e osservare gli atomi da molto vicino, ha detto Cornell. Quando sono caldi, gli atomi in una nuvola di gas rimbalzano come palle da biliardo. Per misurare le loro interazioni, è necessario rallentare gli atomi e ciò significa renderli freddi, davvero freddi.

Xie e il suo team hanno usato i laser per portare una nuvola di atomi di potassio fino a 300 nano Kelvin, circa -459 gradi Fahrenheit, librandosi appena sopra lo zero assoluto.

Quindi cambiano il campo magnetico attorno agli atomi per costringerli a interagire. Man mano che gli atomi interagiscono, la nuvola decade. Più fortemente gli atomi interagiscono, più velocemente decade. Il tasso di decadimento rivela informazioni sull’estensione spaziale di un sistema a tre atomi.

Ma Xie e il suo team hanno scoperto che i loro atomi di potassio non rientrano del tutto nel gruppo universale e in un margine di errore molto ristretto. Chiaramente, l’universalità di van der Waals non era così universale come sembrava. “Studiamo la fisica dei tre corpi perché ci sono ancora misteri in questa interazione” – Xin Xie.

Atomi freddi nello spazio

Il prossimo passo per questo esperimento è al di là dell’atmosfera terrestre. Nel vuoto dello spazio, gli atomi possono raggiungere temperature ancora più fredde e possibilmente rivelare alcune nuove informazioni. Quindi, a dicembre, una versione di questo esperimento inizierà a funzionare sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Trovare i limiti dell’universalità ha maggiori implicazioni per la fisica. Gli atomi ultrafreddi sono spesso al centro di una metrologia precisa, come gli orologi atomici ottici che usano atomi di stronzio freddo. Se quegli atomi iniziano a interagire l’uno con l’altro in modo imprevedibile, potrebbero far scattare l’orologio e non sapresti perché, ha detto Xie.

Non puoi rendere conto di tutti i gradi di libertà in un sistema fisico“, ha sottolineato Xie. Ma esperimenti come questo mostrano quali “ingredienti” sono importanti per comprendere queste interazioni. Testare i limiti dell’universalità aiuta i fisici a prevedere meglio come si comporteranno gli altri atomi.

Se comprendiamo questa specie (potassio), possiamo applicare il nostro modello a una specie diversa“, ha aggiunto Xie.

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