La fisica del trasporto descrive il movimento di cariche elettriche, calore o materia attraverso diversi materiali. In condizioni normali, questi flussi sono sempre ostacolati da attriti e collisioni che generano resistenza, dissipando energia e rallentando progressivamente il movimento. Un team di ricercatori dell'Atominstitut della TU Wien ha ora dimostrato sperimentalmente l'esistenza di un regime quantistico in cui questa regola fondamentale viene completamente violata: un gas ultrafreddo di atomi di rubidio in cui energia e massa si propagano con efficienza totale, senza alcuna dissipazione misurabile.
L'esperimento, pubblicato sulla rivista Science, si basa su un sistema atomico confinato in modo che gli atomi possano muoversi esclusivamente lungo una singola direzione lineare. Utilizzando una combinazione di campi magnetici e ottici, i ricercatori hanno intrappolato migliaia di atomi di rubidio raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, creando un gas quantistico unidimensionale. In questa configurazione estrema, il comportamento del sistema si discosta radicalmente da quello previsto dalla termodinamica classica.
Frederik Møller, primo autore dello studio, spiega che esistono fondamentalmente due modalità di trasporto nella fisica classica. Il trasporto balistico descrive particelle che si muovono liberamente senza ostacoli, coprendo distanze proporzionali al tempo trascorso, come un proiettile in volo. Il trasporto diffusivo, al contrario, caratterizza sistemi dominati da collisioni casuali: l'energia si distribuisce gradualmente attraverso interazioni ripetute tra particelle, come avviene nella conduzione termica. In questo secondo caso, la relazione tra distanza e tempo non è più lineare: per raddoppiare la distanza percorsa serve quattro volte più tempo.
Il gas quantistico viennese non rientra in nessuna di queste due categorie convenzionali. Nonostante gli atomi subiscano innumerevoli collisioni reciproche, il flusso di massa ed energia rimane perfettamente definito e non si disperde nel sistema. "Studiando la corrente atomica, abbiamo osservato che la diffusione è praticamente completamente soppressa", afferma Møller. Il materiale si comporta essenzialmente come un conduttore perfetto a livello quantistico, in cui le grandezze fisiche fluiscono senza incontrare alcuna resistenza.
La chiave di questo comportamento anomalo risiede nella geometria unidimensionale del sistema. I ricercatori utilizzano l'analogia con la culla di Newton, il classico dispositivo da scrivania costituito da sfere metalliche sospese in fila: quando una sfera viene rilasciata, il suo momento si trasmette attraverso l'intera sequenza facendo oscillare solo la sfera all'estremità opposta, mentre quelle intermedie rimangono quasi immobili. Nel gas atomico viennese accade qualcosa di simile: gli atomi possono collidere soltanto lungo una direzione, quindi i loro momenti non vengono dispersi ma semplicemente scambiati tra partner di collisione. Ogni atomo conserva perfettamente il proprio momento, che può solo essere trasferito ad altri atomi ma mai dissipato.
Questa conservazione ideale impedisce al sistema di raggiungere l'equilibrio termico, uno stato che normalmente tutti i sistemi fisici tendono a raggiungere distribuendo uniformemente l'energia disponibile secondo i principi della termodinamica. Nel gas unidimensionale, invece, energia e momento continuano a propagarsi indefinitamente senza degradarsi in calore, mantenendo il flusso stabile nel tempo. Il sistema non si termalizza, ovvero non distribuisce la propria energia secondo le leggi statistiche usuali che governano la materia ordinaria.
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la fisica fondamentale dei gas quantistici. Studiare il trasporto in condizioni così rigorosamente controllate potrebbe fornire nuove chiavi di lettura per comprendere come la resistenza emerga o scompaia a livello quantistico, un tema cruciale per lo sviluppo di materiali superconduttori e dispositivi elettronici di nuova generazione. La possibilità di osservare regimi in cui le collisioni non causano dissipazione sfida le intuizioni classiche e apre prospettive per esplorare fenomeni quantistici macroscopici in sistemi artificiali altamente controllabili. I prossimi passi della ricerca potrebbero estendere queste osservazioni a sistemi più complessi, studiando come la dimensionalità e le interazioni tra particelle modifichino il confine tra trasporto perfetto e comportamento dissipativo tipico della materia ordinaria.
