Simulazioni quantistiche con atomi ultrafreddi
La presenza di impurità rappresenta uno dei problemi più interessanti e fondamentali nella fisica dei molti corpi. Nei solidi, un caso ben studiato è quello di un’impurità accoppiata alle vibrazioni del reticolo cristallino. L’impurità e la distorsione del reticolo formano una nuova entità, nota come polarone. Questa quasiparticella ricopre un ruolo importante nella densità spettrale dei superconduttori e nell’elevata magnetoresistenza della manganite. La ricerca svolta nell’ambito del progetto INTERPOL (“Interactions between polarons in polarized Fermi gases”), finanziato dall’UE, si è concentrata sulle impurità mobili che formano polaroni di Fermi. L’interazione dei polaroni è ancora un problema dibattuto al limite di due altri problemi nella fisica quantistica dei molti corpi: i condensati di Bose-Einstein e i superfluidi di Bardeen-Cooper-Schrieffer. I ricercatori di INTERPOL hanno studiato le proprietà delle impurità che si muovono attraverso un gas di Fermi interattivo. Un gas di Fermi è costituito da un grande numero di fermioni con il medesimo spin. Quando a questo gas di Fermi ideale sono stati aggiunti atomi con spin opposto, questi hanno interagito con i fermioni, risultando così in un gas di Fermi interattivo. Le simulazioni numeriche hanno rivelato che la presenza di impurità modificava anche la distribuzione della densità nel gas di Fermi circostante in modo sfericamente simmetrico. Questa osservazione ha portato i ricercatori di INTERPOL alla conclusione che i polaroni sono quasiparticelle spazialmente estese. Inoltre, ha suggerito la presenza di interazioni di lungo raggio tra polaroni. Al limite in cui le interazioni tra impurità e fermioni erano deboli, i ricercatori di INTERPOL hanno utilizzato metodi matematici della teoria delle perturbazioni. In questo modo hanno ottenuto espressioni analitiche per l’energia e la massa effettiva dei polaroni in movimento. I risultati rappresenteranno il punto di partenza per la generalizzazione dell’approccio adottato alle impurità in movimento che infine si scontrano. Per esaminarne la validità, si terranno esperimenti in cui raggi quasi monocromatici di polaroni di Fermi possono essere creati e studiati con la spettrometria a frequenze radio. Si prevede che i risultati teorici convalidati dagli esperimenti si applicheranno ai superconduttori e ai magneti, consentendo agli scienziati di affrontare questioni fondamentali della fisica quantistica.
