Osservate supercorrenti atomiche che
scorrono senza resistenza
In un esperimento all’Istituto nazionale di ottica del Cnr è stata esplorata,
per la prima volta in un gas atomico di fermioni ultrafreddi, la connessione
fondamentale tra la supercorrente che attraversa una sottile barriera isolante
per effetto tunnel quantistico e la fase della funzione d'onda di un
superfluido. Le misure hanno permesso di svelare alcune delle proprietà
fondamentali rimaste finora sconosciute a causa delle forti correlazioni
quantistiche tra le particelle. I risultati della ricerca sono stati pubblicati
sulla rivista Science
La figura mostra un’immagine sperimentale della densità dei due superfluidi atomici separati da una parete isolante. La loro natura quantistica ondulatoria consente alle particelle di passare da un lato all’altro senza resistenza
Come insegna l’esperienza quotidiana, un fluido non può passare da un recipiente
ad un altro attraversando la parete frapposta ai due. Sorprendentemente,
tuttavia, la meccanica quantistica lo consente, a condizione però che la parete
tra i due contenitori sia sufficientemente sottile. L'effetto tunnel quantistico
permette infatti alle particelle di fluire tra due contenitori, persino in
assenza di resistenza nel caso dei superfluidi, stati della materia capaci di
scorrere senza dissipare energia.
In un articolo apparso sulla rivista Science, un gruppo di ricercatori
dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche
(Cnr-Ino) e del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-lineari (LENS) di Sesto
Fiorentino, guidati da Giacomo Roati e Francesco Scazza, hanno osservato
l’insorgere di correnti senza resistenza tra due gas di Fermi nella fase
superfluida, separati da una sottile parete creata tramite luce laser.
“Queste supercorrenti atomiche scorrono attraverso la parete sostenute solamente
dalla differenza di fase relativa tra le funzioni d’onda quantistiche dei due
gas superfluidi. Il fenomeno è noto come effetto Josephson-dc ed è una delle
manifestazioni più paradigmatiche della coerenza di fase quantistica a livello
macroscopico. È estremamente importante anche per le sue applicazioni: è infatti
alla base del funzionamento di molti moderni dispositivi interferometrici, che
utilizzano giunzioni tra metalli superconduttori”, afferma Giacomo Roati del
Cnr-Ino. “Mentre la resistenza nei metalli ordinari rende la corrente di
elettroni proporzionale al voltaggio applicato, definendo la relazione nota come
Legge di Ohm, la supercorrente scorre senza resistenza come conseguenza della
coerenza di fase dello stato superfluido, nel quale le particelle si muovono
all’unisono, condividendo la stessa funzione d’onda macroscopica. In questo
caso, la corrente ha una dipendenza sinusoidale dalla differenza di fase tra i
due superfluidi, che rappresenta quindi un analogo quantistico del voltaggio”.
Questo sorprendente fenomeno fu predetto dal fisico britannico Brian Josephson nel 1962 e gli valse il premio Nobel per la Fisica nel 1973. Come sostenne lo scienziato americano Phil Anderson, l’effetto Josephson rappresenta lo strumento per antonomasia per estrarre informazioni essenziali sulla natura della funzione d’onda quantistica (il cosiddetto parametro d’ordine), che descrive ogni stato superfluido. “Nel nostro esperimento, creiamo gas atomici superfluidi che hanno la caratteristica eccezionale di presentare forti correlazioni quantistiche tra le particelle”, commenta Francesco Scazza del Cnr-Ino. “Iniettando una corrente atomica controllata attraverso una barriera di luce posta nel gas, misuriamo il valore massimo per cui la resistenza è nulla, ricavando una delle proprietà fondamentali dello stato superfluido gas, ossia il numero di atomi che occupano lo stato quantistico fondamentale. Questa caratteristica, detta frazione condensata, era finora rimasta inaccessibile proprio a causa delle forti correlazioni tra gli atomi”.
“La comprensione ed il controllo dei fenomeni di coerenza quantistica nel
trasporto di carica ed energia costituiscono una delle importanti sfide per le
moderne scienze, e possono essere considerate la spina dorsale della nuova era
delle tecnologie quantistiche. Il nostro lavoro è un importante esempio di come
gli studi sui campioni atomici ultrafreddi possano contribuire alla comprensione
dei meccanismi più elementari del trasporto quantistico, con dirette analogie ai
sistemi elettronici”, conclude Roati.