Un gruppo di ricerca è riuscito nell'impresa di simulare la formazione di un particolare tipo di quasiparticelle, con il grande risultato di produrre un processo osservabile in tempo reale.
Le quasiparticelle rappresentano una classe di fenomeni peculiari nel campo della materia condensata, volto allo studio delle leggi che regolano il comportamento della materia dalle temperature standard a quelle molto basse.
La formazione delle quasiparticelle è un processo che avviene in tempi estremamente brevi, rendendo molto difficile la sua osservazione in termini di materia condensata. Tuttavia, il gruppo di ricerca di Rudolph Grimm, fisico all'Università di Innsbruck e in collaborazione con fisici teorici di altri istituti, è riuscito nell'impresa.
L'osservazione diretta di tale fenomeno costituisce la possibilità concreta di un progresso nella tecnologia per la costruzione di elettronica ultra-veloce e potrebbe portare allo sviluppo di processori quantistici.
Quasiparticelle?
Una quasiparticella non è una particella fisica, come può essere un elettrone, un protone o un fotone. Piuttosto, costituisce la rappresentazione di uno strano fenomeno che si verifica nei sistemi quantistici a molti-corpi, come materiali di stato-solido.
Un esempio notevole di quasiparticella è il polarone. Un elettrone che si muove attraverso un solido, a causa della sua carica elettrica, genera una polarizzazione dell'ambiente che lo circonda. L'effetto netto è che una sorta di "nuvola" di polarizzazione accompagna l'elettrone nel suo moto attraverso il materiale. L'elettrone e la nuvola di polarizzazione formano insieme uno stato di quasiparticella, in questo caso chiamata polarone.
"Possiamo pensare a uno sciatore che viaggia portandosi dietro la nube di neve che si forma al suo passaggio" spiega Grimm. "Lo sciatore è avvolto da una nuvola di fiocchi di neve. Il sistema formato dallo sciatore e dalla nuvola si comporta diversamente dallo sciatore senza nuvola".
L'immagine seguente mostra un esempio di come può essere pensato un polarone, che porta a una grande semplificazione del problema legato al moto di un elettrone in un solido. A sinistra viene rappresentato un elettrone iniettato in un solido, che interagisce con gli atomi e produce la formazione di una quasiparticella che si propaga nel solido. A destra l'equivalenza tra la quasiparticella e una vera e propria particella.
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La struttura di un solido è estremamente complessa e la traiettoria di un elettrone reale sarebbe estremamente difficile da descrivere, a causa del fatto che la particella sarebbe attratta e respinta dalle particelle costituenti il solido. Il polarone, invece, è facilmente descrivibile anche in una situazione in cui l'elettrone interagisce in modo caotico con la materia, ed ecco perché è interessante da studiare.
La teoria che prevede e descrive le quasiparticelle è nota da tempo ed estensivamente studiata con il sostegno di modelli, ma la vera sfida consiste nell'osservare tali fenomeni e misurarli. La difficoltà sta su due fronti: la scala estremamente piccola alla quale questo fenomeno si manifesta e l'intervallo di tempo associato alla vita della quasiparticella, estremamente breve.
In particolare, il problema legato al tempo di vita medio della quasiparticella è quello più difficile da affrontare. "Questi processi durano tempi dell'ordine di attosecondi, circostanza che rende molto complessa l'osservazione della loro formazione risolta nel tempo" dice Grimm.
Per avere un'idea dell'ordine di grandezza di cui stiamo parlando, 1 attosecondo corrisponde a 10-18 secondi, il che significa che 1 attosecondo è, rispetto al secondo, quanto 1 secondo è rispetto a circa 30 miliardi di anni. E sì, stiamo parlando di cose parecchio veloci.
Il gruppo di ricerca ha però trovato il modo di "rallentare" la formazione del processo. In parole povere hanno cambiato oggetto di studio, passando a studiare un gas portato a temperature estremamente basse, che si comporta come un solido grazie al modo in cui si è preparato l'esperimento, come vedremo, ma che è caratterizzato da una bassa densità di particelle rispetto al solido. In tal modo hanno realizzato un "modello" di un solido sfruttando un gas e hanno riprodotto la formazione di una quasiparticella.
L'immagine rappresenta a sinistra una sorta di "istantanea" di un polarone in un solido (l'alone azzurro), a destra lo stesso polarone in un gas ultrafreddo di atomi.
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Com'è stato realizzato l'esperimento?
In una camera a vuoto, i ricercatori hanno usato tecniche di trappole magneto-ottiche
usate per creare un gas quantistico ultra-freddo costituito da atomi di litio e un piccolo campione di atomi di potassio, al centro. Nel gas ultra-freddo i pochi atomi di potassio prendono il nome di impurità, "iniettate" nell'ambiente costituito dagli atomi di litio.
Con un campo magnetico esterno i ricercatori hanno regolato le interazioni tra le particelle, creando un tipo di quasiparticella che prende il nome di polarone di Fermi. Il polarone di Fermi descrive il moto di un'impurità nell'ambiente circostante, tenendo conto degli effetti dell'interazione con gli altri atomi, proprio come nel caso sopracitato dell'elettrone: un atomo di potassio viaggia nel gas avvolto da una nuvola di atomi di litio.
Il processo nella materia condensata avviene in un tempo di centinaia di attosecondi in condizioni normali, ma grazie al gas quantistico ultra-freddo, è stato di gran lunga rallentato.
"Nella materia condensata le scali temporali sono estremamente brevi. Abbiamo simulato gli stessi processi fisici a densità molto minori" sottolinea Grimm. "Qui il tempo di formazione del polarone è di pochi microsecondi" (1 microsecondo è 1 milionesimo di secondo).
L'obiettivo, ora, dopo aver osservato la formazione della quasiparticella, è quello di individuare un valido processo di misurazione, in modo che si trovi un modo per sviluppare sistemi di processori quantistici che porteranno all'elettronica super-veloce.
"Abbiamo sviluppato un nuovo metodo per osservare la 'nascita' di un polarone praticamente in tempo reale" dice Grimm. "Questo può diventare un approccio interessante per meglio comprendere e implementare le proprietà fisiche di strumenti elettronici ultra-veloci".
Questo studio è interessante perché permette di fare da "ponte" con ciò che avviene nella materia condensata, dando la possibilità di studiare concretamente fenomeni che avvengono su scale temporali talmente brevi da non poter essere osservabili e quindi aprire la strada "indiretta" di applicazioni di questi fenomeni nei campi sopra citati.
Marta Dell'Atti è laureata in fisica teorica e delle interazioni fondamentali presso l'Università del Salento. L'ambito dei suoi studi di ricerca riguarda i modelli teorici che spiegano e prevedono l'esistenza delle particelle elementari e il modo in cui tali particelle interagiscono. Si interessa di relatività generale e meccanica quantistica e si è occupata di divulgazione scientifica. È coautrice di una pubblicazione su JHEP (Journal of High Energy Physics).