Per la prima volta è stata ascoltata la struttura nascosta dei gas di Fermi atomici ultrafreddi. Il risultato, che segna una svolta nello studio della superfluidità, è stato raggiunto grazie a una tecnica innovativa basata sull’effetto Doppler di onde sonore, lo stesso della sirena dell’ambulanza, che viene percepita più acuta mentre si avvicina e più grave quando si allontana. L’esperimento, svolto al Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (Lens) e condotto dall’Istituto nazionale di ottica del Cnr di Sesto Fiorentino, ha coinvolto anche le Università di Firenze, Trieste e Trento con Sandro Stringari del Pitaevskii Bec Center, professore emerito dell’Ateneo. La scoperta, che apre nuove prospettive per l'indagine dei sistemi quantistici, è stato pubblicato su Nature Physics.
Il gruppo di ricerca per studiare la materia in condizioni estreme ha sfruttato l’effetto Doppler delle ambulanze. «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 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», spiegano Marcia Fròmeta Fernandez e Diego Hernandez-Rajkov, ricercatori Cnr-Ino e principali autori del lavoro. «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».
Misurando questo effetto con estrema precisione, «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», 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 unità quantistiche composite di massa doppia, 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», conclude Giacomo Roati, dirigente di ricerca Cnr-Ino e responsabile del gruppo sperimentale.
Lo studio ribadisce le potenzialità dell'interferometria atomica, una tecnica che sfrutta le proprietà ondulatorie degli atomi per effettuare misure di elevatissima precisione. In questo lavoro, la tecnica è stata implementata utilizzando onde sonore nel superfluido, dimostrandosi un efficace strumento per indagare sistemi quantistici fortemente correlati.
Tra i primi risultati ottenuti c’è 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 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», concludono Massimo Inguscio (Lens) e Sandro Stringari (Pitaevskii Bec Center, Università di Trento), protagonisti di sviluppi della fisica atomica dalla cui sinergia nasce il lavoro svolto al laboratorio del Lens.
Il risultato arriva nell'anno del centenario della formulazione della statistica ideata da Enrico Fermi nel 1926 sulle colline di Arcetri (Firenze) per descrivere il comportamento di particelle come elettroni, protoni e neutroni.