Intro: bosoni come fermioni

Bosoni e fermioni, le due classi in cui tutte le particelle – dal subatomico agli atomi stessi – possono essere classificate, si comportano in modo molto diverso nella maggior parte dei casi. Mentre bosoni identici amano riunirsi, fermioni identici tendono ad essere antisociali. Tuttavia, in una dimensione – immagina le particelle che possono muoversi solo su una linea – i bosoni possono comportarsi come i fermioni, in modo tale che in due non occupino la stessa posizione. 

Ora, una nuova ricerca mostra che la stessa cosa – i bosoni che agiscono come fermioni – può accadere con le loro velocità. La scoperta si aggiunge alla nostra comprensione fondamentale dei sistemi quantistici e contribuire all’eventuale sviluppo di dispositivi quantistici.

Tutte le particelle in natura sono di due tipi, a seconda del loro “spin”, una proprietà quantistica senza un vero analogo nella fisica classica“, ha affermato David Weiss, illustre professore di fisica a Penn State e uno dei leader della ricerca. “I bosoni, i cui giri sono numeri interi, possono condividere lo stesso stato quantistico, mentre i fermioni, i cui giri sono per metà numeri interi, non possono. Quando le particelle sono abbastanza fredde o abbastanza dense, i bosoni si comportano in modo completamente diverso dai fermioni. I bosoni formano “condensati di Bose-Einstein”, riuniti nello stesso stato quantistico. I fermioni, d’altra parte, riempiono gli stati disponibili uno ad uno per formare quello che viene chiamato un Fermi sea“.

I ricercatori di Penn State hanno ora dimostrato sperimentalmente che, quando i bosoni si espandono in una dimensione – la linea di atomi può espandersi per allungarsi – possono formare il mare di Fermi

L’articolo che descrive la ricerca appare sulla rivista Science del 27 marzo 2020 .

La nuova ricerca

I ricercatori di Penn State utilizzano questo apparato per creare una serie di gas unidimensionali ultra-freddi costituiti da atomi. Questi atomi sono bosoni, una delle due classi in cui è possibile classificare tutte le particelle. Generalmente bosoni e fermioni si comportano in modo abbastanza diverso. 

Tuttavia, quando le interazioni interne tra i bosoni in un gas monodimensionale sono molto forti, la loro distribuzione spaziale è la stessa dei fermioni non interagenti. I ricercatori hanno ora dimostrato che quando i gas possono espandersi mentre sono ancora confinati in una dimensione, anche la loro distribuzione della velocità diventa la stessa di un gas di fermioni non interagenti. 

Apparato trappola di luce
Credits: Nate Follmer, Penn State.

I fermioni identici sono antisociali, non puoi averne più di uno nello stesso posto, quindi quando sono molto freddi non interagiscono“, ha dichiarato Marcos Rigol, professore di fisica a Penn State e l’altro capo del gruppo di ricerca. “I bosoni possono trovarsi nello stesso posto, ma questo diventa energicamente troppo costoso quando le loro interazioni sono molto forti. Di conseguenza, quando costretti a muoversi in una dimensione, la loro distribuzione spaziale può assomigliare a quella di fermioni non interagenti. Nel 2004, il gruppo di ricerca di David ha dimostrato sperimentalmente questo fenomeno, teoricamente previsto negli anni ’60“.

Dalla previsione alla dimostrazione: l’integrabilità

Anche se le proprietà spaziali dei bosoni fortemente interagenti e dei fermioni non interagenti sono le stesse in una dimensione, i bosoni possono comunque avere le stesse velocità mentre i fermioni non possono. Ciò è dovuto alla natura fondamentale delle particelle.

Nel 2005, Marcos, allora studente universitario, ha predetto che quando i bosoni fortemente interagenti si espandono in una dimensione, la loro distribuzione della velocità formerà un mare di Fermi“, ha detto Weiss. “Ero molto entusiasta di collaborare con lui nella dimostrazione di questo straordinario fenomeno“.

Il team di ricerca crea una serie di gas unidimensionali ultrafreddi costituiti da atomi bosonici (“gas di Bose”) usando un reticolo ottico, che utilizza la luce laser per intrappolare gli atomi. Qui il sistema è in equilibrio e i gas di Bose fortemente interagenti hanno distribuzioni spaziali come fermioni, ma hanno ancora le distribuzioni di velocità dei bosoni. Quando i ricercatori spengono parte della luce intrappolata, gli atomi si espandono in una dimensione. Durante questa espansione, la distribuzione della velocità dei bosoni si trasforma in modo uniforme in uno identico ai fermioni. I ricercatori possono seguire questa trasformazione in tempo reale.

Grafico delle distribuzioni di velocità
Evoluzione della distribuzione della velocità di un gas intrappolato di bosoni fortemente interagenti che si espandono in una dimensione. La distribuzione “bosonica” inizialmente raggiunta (linea viola) si trasforma gradualmente nella distribuzione “fermionica” arrotondata (linea rosso scuro). La forma finale è proprio come il mare di Fermi che caratterizzerebbe i fermioni nella stessa trappola iniziale. Credits: Weiss Laboratory, Penn State.

La dinamica dei gas ultrafreddi nei reticoli ottici è la fonte di molti nuovi fenomeni affascinanti che solo di recente hanno iniziato a essere esplorati“, ha detto Rigol. “Ad esempio, il gruppo di Dave ha mostrato nel 2006 che qualcosa di così universale come la temperatura non è ben definito dopo che i gas di Bose subiscono dinamiche in una dimensione. I miei collaboratori e io abbiamo messo in relazione questo risultato con una meravigliosa proprietà matematica sottostante dei modelli teorici che descrivono i suoi esperimenti, nota come “integrabilità“. L’integrabilità gioca un ruolo centrale nel nostro fenomeno di fermionizzazione dinamica recentemente osservato“.

Affrontare le grandi sfide della fisica

Poiché il sistema è “integrabile”, i ricercatori possono comprenderlo nei minimi dettagli e studiando il comportamento dinamico di questi gas monodimensionali, il team di Penn State spera di affrontare grandi questioni in fisica.

Nell’ultimo mezzo secolo sono state chiarite molte proprietà universali dei sistemi quantistici di equilibrio“, ha affermato Weiss. “È stato più difficile identificare il comportamento universale nei sistemi dinamici. Comprendendo appieno la dinamica dei gas monodimensionali e, quindi, rendendo gradualmente i gas meno integrabili, speriamo di identificare i principi universali nei sistemi quantistici dinamici“.

I sistemi quantistici dinamici e interagenti sono una parte importante della fisica fondamentale. Stanno anche aumentando di rilevanza tecnologica dal momento che molti dispositivi quantistici reali e proposti si basano su di essi, inclusi simulatori quantistici e computer quantistici.  

Ora abbiamo accesso sperimentale a cose che se avessi chiesto dieci anni fa a qualche teorico che lavorasse sul campo ‘lo vedremo nella nostra vita?’ avrebbero detto “assolutamente” “, ha detto Rigol.

Credits

Oltre a Rigol e Weiss, il team di ricerca di Penn State comprende Joshua M. Wilson , Neel Malvania , Yuan Le e Yicheng Zhang. La ricerca è stata finanziata dalla US National Science Foundation e dall’US Army Research Office. I calcoli sono stati eseguiti presso il Penn State Institute for Computational and Data Sciences.

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