Esperimenti quantistici che simulano dispositivi a stato solido
I fermioni sono particelle quantistiche come i nucleoni o gli elettroni che rappresentano gli elementi costitutivi della materia. I comportamenti dei materiali dipendono dalla reciprocità della loro natura fermionica, dalla loro struttura cristallina interna e dalle interazioni tra gli elementi che li compongono. Questa complessa struttura interna è ancora ampiamente sconosciuta, ma direttamente correlata alla superconduttività, all'informatica quantistica e persino all'organizzazione dell'Universo. I gas atomici ultrafreddi prodotti artificialmente hanno aperto la strada a nuovi esperimenti che prendono in considerazione le interazioni quantistiche e la fisica quantistica a molti corpi. Negli ultimi anni gli scienziati hanno preparato tali gas che facilitano lo studio della loro natura fermionica (gas di Fermi atomici ultrafreddi) consentendo lo studio di complesse strutture quantistiche, transizioni negli stati e interazioni tra spin elettronici. Gli scienziati hanno sfruttato la simulazione quantistica utilizzando gas di Fermi a forte interazione nel progetto MIGROS ("Microscopy of interacting Fermi-gases: High-resolution imaging and statistical properties"), finanziato dall'UE. Utilizzando microscopi ad alta risoluzione, i ricercatori hanno osservato il comportamento di piccoli insiemi di atomi fermionici ultrafreddi in una grande nuvola dimostrando che due misure (fluttuazioni di spin e suscettibilità di spin totali) non possono essere spiegate mediante descrizioni classiche. In una configurazione sperimentale di due recipienti collegati da un canale, gli scienziati hanno studiato la conduzione di fermioni simulando il trasporto di elettroni in una nanostruttura e facilitando analogie con la fisica a stato solido. È stato così possibile osservare le transizioni alla superfluidità e la bassissima resistenza associata al suo insorgere, nonché i comportamenti dei superfluidi in varie condizioni. La superfluidità è intrinsecamente correlata alla superconduttività e persino alla comprensione delle stelle di neutroni e plasma di quark e gluoni. La manipolazione e visualizzazione dei comportamenti di gas di Fermi ultrafreddi in una simulazione di modello ha preparato il terreno per lo studio del trasporto di spin nei sistemi atomici freddi. Le transizioni di fase osservate mostrano proprietà di trasporto universali correlate ai concetti più fondamentali della fisica teorica. Di conseguenza, un nuovo interessante sistema sperimentale basato su modello promette di consentire la verifica delle teorie sulla struttura dell'Universo, compresa la natura di spazio-tempo in prossimità di un buco nero. Più in particolare, il setup consente la simulazione quantistica, non solo di materiali, ma anche di dispositivi costituiti da più di un componente. Questo sviluppo promette di gettare nuova luce su concetti inerenti i computer quantistici e le macchine quantistiche.
