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Microscopio a gas quantistico per fermioni

Fino a poco tempo fa, l’immaginografia dei singoli atomi in un microscopio a gas quantistico è stata raggiunta solo per le specie bosoniche. I ricercatori finanziati dall’UE hanno catturato per la prima volta immagini fluorescenti relative ad atomi ultrafreddi di potassio fermionico.
Microscopio a gas quantistico per fermioni
Gli elettroni, i protoni, i neutroni e persino i quark sono tutti fermioni, ossia particelle con spin semi-intero. A differenza dei bosoni con spin intero, i fermioni non possono occupare lo stesso stato quantico. Questo semplice fatto conduce alla struttura degli elementi, dove gli elettroni occupano diverse orbite intorno al nucleo atomico.

Quando i fermioni interagiscono tra loro, formano nuclei atomici e materiali allo stato solido. Il loro comportamento collettivo, inoltre, dà luogo a fenomeni esotici come la superconduttività ad alta temperatura e la magnetoresistenza colossale. Tuttavia, l’attuale comprensione dei sistemi di fermioni fortemente interagenti è limitata.

Per i ricercatori che lavorano al progetto FERMISITE (Strongly correlated fermions in optical lattices with single-site resolution), finanziato dall’UE, i gas fermionici atomici ultrafreddi hanno offerto una piattaforma incontaminata per studiare la fisica dello stato solido a molti corpi. In particolare, gli atomi fermionici intrappolati in un reticolo ottico simulano la fisica degli elettroni in un solido cristallino.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno utilizzato tale un reticolo ottico formato da raggi laser retro-riflessi. Per la risoluzione di atomi con singolo sito di reticolo, è stato ideato un nuovo assetto che incorpora un fascio verticale retro-riflesso nella finestra a vuoto rivestita.

Gli atomi di potassio-40 sono stati preparati mediante raffreddamento laser ed evaporazione forzata al piano focale di tale trappola magneto-ottica. L’imaging di fluorescenza è stato quindi effettuato per rilevare gli atomi, mentre sono stati raffreddati. Per rendere fluorescenti gli atomi di potassio, essi sono stati illuminati mediante una luce oltre la risonanza.

Esperimenti simili sono stati condotti intorno allo stesso periodo dai ricercatori dell’Università di Harvard e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti e presso l’Istituto Max-Planck di ottica quantistica a Garching, Germania. L’avvento della microscopia con fermioni a gas apre la strada per lo studio dei sistemi a molti-fermioni intrappolati in reticoli ottici.

Lo studio di tali sistemi quantistici in ambienti di ingegneria ben controllati farà luce sul comportamento degli altri fermioni. In particolare, una simulazione quantistica di fermioni con risoluzione a singola particella costituirà un banco di prova eccellente per studiare le proprietà dei sistemi quantistici fortemente correlati, difficili da risolvere con metodi di simulazione numerica.

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Keywords

Microscopio a gas quantistico, fermioni, atomi di potassio, nuclei atomici, FERMISITE, reticolo ottico
Numero di registrazione: 182689 / Ultimo aggiornamento: 2016-05-18
Dominio: Tecnologie industriali