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Ultracold Bose-Fermi Mixtures of Metastable Helium

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Per una migliore comprensione del comportamento dei gas ultrafreddi

Grazie a tecnologie e sperimentazioni innovative, i ricercatori finanziati dall'UE hanno conseguito progressi straordinari nella conoscenza del comportamento dei gas ultrafreddi.

Energia

Tipicamente, i singoli elettroni degli elementi atomici presentano solo determinati livelli energetici, chiamati livelli di energia meccanica quantistica. A temperature molto basse, vicine allo zero assoluto, dove qualsiasi movimento molecolare si arresta, tuttavia, gli atomi di alcuni elementi (gas bosonici) mostrano solo lo stato di energia quantistico più basso, con un processo denominato condensazione di Bose-Einstein. Questi atomi bosonici ultrafreddi (condensato di Bose-Einstein, BEC) sono indistinguibili e costituiscono un'unica entità meccanica quantistica. Poiché i cosiddetti atomi fermionici non possono coesistere nello stesso stato di energia quantistica perché sono regolati dal principio di esclusione di Pauli, è possibile distinguere le due classi principali che raggruppano tutte le particelle dell'universo, i bosoni e i fermioni, in base ai relativi stati di spin o momenti angolari. L'elio presenta isotopi sia bosonici sia fermionici stabili che non è possibile raffreddare fino alla cosiddetta degenerazione quantistica in uno stato eccitato metastabile e inoltre gli esperimenti hanno mostrato similarità tra gli atomi bosonici ultrafreddi e i fotoni della luce. In effetti, quando un gas raffreddato, bosonico o fermionico, raggiunge la degenerazione quantistica, i suoi atomi non si comportano più come particelle singole, ma come onde. L'elio metastabile ultrafreddo rappresenta quindi un eccellente sistema per studiare il sovrapporsi di ambiti quali i campi di gas atomici ultrafreddi, l'ottica quantistica e la materia condensata. I ricercatori europei finanziati dal progetto Bosefermihe ("Ultracold Bose-Fermi mixtures of metastable helium") hanno cercato di rilevare e studiare singoli atomi di elio metastabile ultrafreddo per chiarire meglio i meccanismi della degenerazione quantistica. Modificando le configurazioni precedenti, hanno condotto nuovi esperimenti che hanno permesso di individuare distribuzioni sorprendenti dei momenti relativi delle coppie di atomi e ha sviluppato la prima trappola laser mondiale per l'elio metastabile utilizzata per raffreddare gli atomi fino alla degenerazione quantistica indipendentemente dal loro stato di spin. Grazie a questa tecnologia, gli studiosi sono riusciti a eseguire la prima misurazione delle perdite dipendenti dallo spin dell'elio metastabile. Gli sviluppi tecnologici innovativi e i numerosi esperimenti sugli atomi di elio metastabile ultrafreddo hanno permesso di condurre importanti osservazioni e di pubblicare i risultati riguardanti i gas quantistici degenerati. Questa attività conferisce all'UE una posizione di leadership in un settore altamente competitivo, che offre un enorme potenziale applicativo per le future applicazioni nel settore degli orologi atomici e della superconduttività.

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