In Colombia appare uno stato quantico della materia unico

I fisici dentro Università della Columbia Hanno portato le molecole a un nuovo estremo ultrafreddo e hanno creato uno stato della materia in cui la meccanica quantistica regna sovrana.

C’è un nuovo entusiasmante BEC in città che non ha nulla a che fare con pancetta, uova e formaggio. Non lo troverai nel tuo grande magazzino sotto casa, ma nel posto più freddo di New York: il laboratorio del fisico Sebastian Weyl della Columbia University, il cui gruppo sperimentale è specializzato nello spingere atomi e molecole a temperature solo frazioni di grado più alte. Zero Assoluto.

Scrivi naturail Weyl Lab, con il supporto del collaboratore teorico Tijs Karman della Radboud University nei Paesi Bassi, è riuscito a creare uno stato quantistico unico della materia chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC) dalle molecole.

Scoperta nei condensati di Bose-Einstein

Il loro BEC è raffreddato a soli cinque nanokelvin, o circa -459,66 gradi Fahrenheit, è stabile per due secondi straordinariamente lunghi ed è composto da molecole di sodio e cesio. Come le molecole d’acqua, queste molecole sono polari, nel senso che portano sia una carica positiva che una carica negativa. Weil ha osservato che la distribuzione sbilanciata della carica elettrica facilita le interazioni a lungo raggio che costituiscono la fisica più interessante.

La ricerca che il Weill Lab è entusiasta di portare avanti con Bose-Einstein Molecular prevede l’esplorazione di una serie di diversi fenomeni quantistici, inclusi nuovi tipi di superfluidità, uno stato della materia che scorre senza subire alcun attrito. Sperano anche di trasformare i loro Bose-Einstein in simulatori in grado di ricreare le enigmatiche proprietà quantistiche di materiali più complessi, come i cristalli solidi.

Con l’aiuto delle microonde, i fisici della Columbia hanno creato un condensato di Bose-Einstein, uno stato unico della materia, da molecole di sodio e cesio. Credito immagine: Well Lab, Columbia University/Miles Marshall

“I condensati molecolari di Bose-Einstein aprono aree di ricerca completamente nuove, dalla comprensione reale della fisica fondamentale allo sviluppo di potenti simulazioni quantistiche”, ha affermato. “Questo è un risultato entusiasmante, ma in realtà è solo l’inizio.”

È un sogno diventato realtà per Weill Lab, e un decennio di lavoro da fare per la più ampia comunità di ricerca sull’ultrafreddo.

Molecole ultrafredde, un secolo di lavoro

La scienza dei BEC risale a un secolo fa ai fisici Satyendra Nath Bose e Albert Einstein. In una serie di articoli pubblicati nel 1924 e nel 1925, predissero che un insieme di particelle raffreddate fino quasi al punto di arresto si sarebbe fuso in un unico atomo più grande con proprietà e comportamenti comuni dettati dalle leggi della meccanica quantistica. Se i BEC potessero essere creati, fornirebbero ai ricercatori una piattaforma interessante per esplorare la meccanica quantistica su una scala più accessibile rispetto ai singoli atomi o molecole.

Ci sono voluti circa 70 anni da quelle prime previsioni teoriche, ma i primi BEC atomici sono stati creati nel 1995. Questo risultato è stato riconosciuto con il Premio Nobel per la fisica nel 2001, più o meno nel periodo in cui Weyl ha iniziato a studiare fisica all’Università di Magonza. In Germania. I laboratori ora producono abitualmente atomi di Bose-Einstein da diversi tipi di atomi. Questi BEC hanno ampliato la nostra comprensione di concetti come la natura ondulatoria della materia e dei superfluidi e hanno portato allo sviluppo di tecnologie come i microscopi quantistici a gas e i simulatori quantistici, solo per citarne alcuni.

Da sinistra a destra: ricercatore associato Ian Stevenson; dottorando Niccolò Bigagli; dottorando Weijun Yuan; Lo studente universitario Boris Bulatovich; dottorando Siwei Zhang; e l’investigatore capo Sebastian Weil. Non mostrato: Tejce Kerman. Credito: Columbia University

Ma gli atomi, nel grande schema delle cose, sono relativamente semplici. Sono oggetti rotondi e solitamente non contengono interazioni che potrebbero derivare dalla polarità. Da quando sono stati raggiunti i primi BEC atomici, gli scienziati hanno voluto creare versioni più complesse composte da molecole. Ma anche le semplici molecole biatomiche costituite da due atomi di elementi diversi legati insieme si sono rivelate difficili da raffreddare al di sotto della temperatura necessaria per formare un BEC adeguato.

La prima svolta è arrivata nel 2008 quando Deborah Jin e Jun Yi, fisici del Gila Institute di Boulder, in Colorado, hanno raffreddato un gas composto da molecole di potassio e rubidio a circa 350 nanokelvin. Tali molecole ultrafredde si sono rivelate utili negli ultimi anni per eseguire simulazioni quantistiche, studiare collisioni molecolari e chimica quantistica, ma per superare la soglia BEC erano necessarie temperature più basse.

Nel 2023 ha creato Will’s Lab Il primo gas estremamente freddo della molecola scelta, sodio e cesio, utilizzando una combinazione di raffreddamento laser e manipolazione magnetica, simile all’approccio di Jin Wei. Per renderlo più fresco, hanno introdotto il microonde.

Innovazioni con il microonde

Le microonde sono una forma di radiazione elettromagnetica e hanno una lunga storia in Colombia. Negli anni ’30, il fisico Isidore Isaac Rabi, che in seguito vinse il Premio Nobel per la fisica, compì un lavoro pionieristico sulle microonde che portò allo sviluppo di sistemi radar aviotrasportati. “Rabe è stato uno dei primi a padroneggiare gli stati quantistici delle molecole ed è stato un pioniere nella ricerca sulle microonde”, ha detto Weil. “La nostra attività segue questa tradizione di 90 anni.”

Sebbene tu possa avere familiarità con il ruolo delle microonde nel riscaldare il cibo, sembra che possano anche facilitare il processo di raffreddamento. Le singole molecole tendono a scontrarsi tra loro e, di conseguenza, a formare complessi più grandi che scompaiono dai campioni. Le microonde possono creare minuscoli scudi attorno a ciascuna molecola, impedendo loro di entrare in collisione, un’idea proposta da Karman, un loro collega nei Paesi Bassi. Con le molecole protette dalle collisioni mancate, solo le molecole più calde possono essere rimosse preferenzialmente dal campione, che è lo stesso principio fisico che raffredda la tua tazza di caffè quando ci soffi sopra, spiega l’autore Niccolò Bigagli. Le molecole rimanenti saranno più fredde e la temperatura complessiva del campione diminuirà.

Il team è arrivato vicino alla creazione di un BEC molecolare lo scorso autunno in un lavoro pubblicato nel Fisica della natura Che ha introdotto il metodo di schermatura a microonde. Ma era necessario un altro sviluppo sperimentale. Quando hanno aggiunto un secondo campo a microonde, il raffreddamento è diventato più efficiente e il cesio sodico ha finalmente superato la soglia BEC, un obiettivo che il laboratorio di Weill ha raggiunto sin dalla sua apertura in Columbia nel 2018.

“Questo è stato un gran finale per me”, ha detto Bigagli, che si è laureato in fisica questa primavera ed è stato uno dei membri fondatori del laboratorio. “Siamo passati dal non avere ancora un laboratorio a questi risultati sorprendenti”.

Oltre a ridurre le collisioni, il secondo campo a microonde può anche controllare l’orientamento delle molecole. Questo, a sua volta, è un modo per controllare il modo in cui interagiscono, cosa che il laboratorio sta attualmente esplorando. “Controllando queste interazioni dipolo, speriamo di creare nuovi stati quantistici e fasi della materia”, ha affermato Ian Stevenson, coautore e ricercatore post-dottorato presso la Columbia University.

Si sta aprendo un nuovo mondo della fisica quantistica

Yi, un pioniere della scienza dell’ultrafreddo con sede a Boulder, considera i risultati un bellissimo pezzo di scienza. “Il lavoro avrà importanti implicazioni per una serie di campi scientifici, tra cui lo studio della chimica quantistica e l’esplorazione di materiali quantistici fortemente accoppiati”, ha commentato. “L’esperimento di Weill prevede un controllo preciso delle interazioni molecolari per guidare il sistema verso il risultato desiderato, un risultato notevole nella tecnologia di controllo quantistico”.

Nel frattempo, il team della Columbia è entusiasta di avere una descrizione teorica delle interazioni intermolecolari convalidata sperimentalmente. “Abbiamo già una buona idea delle interazioni in questo sistema, che è cruciale anche per i prossimi passi, come l’esplorazione della fisica dei corpi multipolari”, ha detto Kerman. “Abbiamo ideato schemi per controllare le reazioni, li abbiamo testati teoricamente e li abbiamo implementati negli esperimenti. È stata un’esperienza davvero interessante vedere queste idee di “protezione” dalle microonde realizzate in laboratorio.”

Ci sono dozzine di previsioni teoriche che ora possono essere testate sperimentalmente utilizzando i BEC molecolari, che il co-primo autore e dottorando Siwei Zhang sottolinea sono abbastanza stabili. La maggior parte degli esperimenti ultrafreddi vengono eseguiti entro un secondo, alcuni durano solo pochi millisecondi, ma le reazioni molecolari BEC in laboratorio durano più di due secondi. “Questo ci consentirà di indagare su questioni aperte nella fisica quantistica”, ha affermato.

Un’idea è quella di creare cristalli artificiali di Bose-Einstein intrappolati in un reticolo ottico fatto di laser. Ciò consentirebbe potenti simulazioni quantistiche che imitano le interazioni nei cristalli naturali, ha osservato Weil, ed è un’area di interesse nella fisica della materia condensata. I simulatori quantistici vengono normalmente realizzati utilizzando atomi, ma gli atomi hanno interazioni a corto raggio – dove devono praticamente essere uno sopra l’altro – il che limita la misura in cui possono modellare materiali più complessi. “Il BEC molecolare fornirà più sapore”, ha detto Weil.

Ciò include le dimensioni, ha detto il co-primo autore e dottorando Weijun Yuan. “Vorremmo utilizzare i BEC in un sistema 2D. Quando si passa dal 3D al 2D, ci si può sempre aspettare che emerga una nuova fisica. I materiali 2D sono un’importante area di ricerca presso la Columbia University con un sistema modello molecolare I BEC potrebbero aiutare Weil e i suoi colleghi nell’intensa esplorazione dei fenomeni quantistici tra cui la superconduttività, la superfluidità e altro ancora.

“Sembra che si stia aprendo un mondo completamente nuovo di possibilità”, ha detto Will.

Riferimento: “Observation of Bose-Einstein condensates of dipole particelle” di Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson e Sebastian Weyl, 3 giugno 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z