Il suono dell’infinitamente piccolo, svelati i segreti dei gas di Fermi

(Adnkronos) – Presso il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (LENS) di Sesto Fiorentino, un team di ricerca composto da esperti del CNR-INO e delle Università di Firenze, Trieste e Trento ha isolato la struttura interna dei gas di Fermi atomici ultrafreddi, portati a temperature prossime allo zero assoluto. L'esperimento sfrutta la propagazione di onde sonore all'interno di un superfluido di Fermi strutturato ad anello, dove la rotazione del sistema induce variazioni di frequenza misurabili, analogamente allo spostamento spettrale osservato nelle sorgenti sonore classiche.  In tale stato, le particelle tendono ad accoppiarsi per formare una condizione di superfluidità, ovvero uno stato della materia in cui l'attrito scompare completamente. Per studiare questo fenomeno, i ricercatori hanno immaginato il superfluido come un fluido che scorre in un anello, all'interno del quale vengono propagate onde sonore in direzioni opposte. Poiché il fluido è in rotazione, le onde che si muovono seguendo il moto della materia risultano leggermente diverse da quelle che procedono controcorrente; un principio fisico analogo a quello che causa la variazione del tono percepito di una sirena in movimento.  Misurando queste minuscole differenze, è stato possibile osservare direttamente la struttura interna del sistema. Come spiegano i ricercatori Marcia Fròmeta Fernandez e Diego Hernandez-Rajkov, tale approccio ha permesso di rilevare come il suono si modifichi in base alla direzione di propagazione rispetto al flusso del superfluido, fornendo la chiave per mappare i gas di Fermi. La precisione delle rilevazioni ha dimostrato che la circolazione del superfluido è vincolata a valori quantizzati, confermando che la superfluidità in tali gas nasce dall'accoppiamento di fermioni in unità composite note come coppie di Cooper.  I fermioni sono le particelle elementari che costituiscono la materia, elettroni, protoni e neutroni. A differenza di altre particelle, seguono il principio di esclusione di Pauli, che impedisce loro di occupare lo stesso stato quantistico nello stesso momento, garantendo così la stabilità e la struttura solida di tutto ciò che ci circonda. 
Il professor Francesco Scazza, docente presso l'Università di Trieste, ha precisato: "La nostra osservazione dimostra che il superfluido è costituito da fermioni che si accoppiano due a due, formando unità quantistiche composite di massa doppia, le cosiddette coppie di Cooper, analogamente a quanto avviene nei superconduttori". Questa metodologia, basata sull'interferometria atomica, si è rivelata estremamente efficace per studiare la riduzione della superfluidità in funzione dell'aumento termico, offrendo nuovi strumenti analitici per approfondire i meccanismi di superconduttività e dinamiche della materia ancora oggetto di indagine accademica.  Tale traguardo giunge a un secolo di distanza dalla formulazione della statistica di Fermi, offrendo prospettive inedite per lo sviluppo di tecnologie quantistiche avanzate, come ribadito dai fisici Massimo Inguscio e Sandro Stringari: "Il lavoro apre una nuova strada per studiare il comportamento collettivo delle particelle e approfondire la comprensione dei meccanismi alla base della superfluidità e della superconduttività". 
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