Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates

Nel mondo silenzioso della fisica quantistica, dove gli atomi si comportano meno come marbre solide e più come onde sovrapposte, gli scienziati si sono a lungo affidati a una regola semplice: dato un tempo sufficiente, un sistema caotico alla fine si assesterà in uno stato calmo e prevedibile chiamato equilibrio termico. Questo è lo stato in cui l'energia viene condivisa equamente tra tutte le parti di un sistema, come una tazza di caffè che si raffredda finché non raggiunge la temperatura della stanza. Tuttavia, la natura a volte prende una deviazione. Prima di raggiungere quella calma finale, molti sistemi rimangono bloccati in una condizione semi-stabile e duratura nota come stato pretermico. In questa fase, il sistema sembra essersi assestato, eppure conserva la memoria del suo caos iniziale, rifiutandosi di condividere la sua energia equamente. Comprendere perché e come questi sistemi rimangano bloccati è una sfida fondamentale, che offre indizi su tutto, dai primi momenti dell'universo al comportamento di materiali complessi.

Un team di ricercatori presso il Joint Quantum Institute e il National Institute of Standards and Technology ha ora catturato questo fenomeno in azione, osservandolo all'interno di una nuvola di atomi ultra-freddi. Hanno creato uno scenario in cui due tipi distinti di atomi, che naturalmente si respingono, sono stati costretti a condividere lo stesso spazio. Quando le condizioni sono cambiate improvvisamente, questi atomi non si sono semplicemente mescolati o separati istantaneamente. Invece, hanno formato un confine netto, un'interfaccia unidimensionale, tra due grandi domini. Questo confine non era una parete statica; increspava e oscillava con onde note come ripploni. Osservando l'evoluzione di queste onde nel tempo, gli scienziati hanno scoperto che l'interfaccia entrava in uno stato pretermico che sfidava le solite regole di condivisione dell'energia.

L'esperimento è iniziato con una nuvola di circa 1,6 milioni di atomi di sodio, raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto e intrappolati in una scatola piatta a forma di quadrato. Inizialmente, tutti gli atomi si trovavano nello stesso stato quantistico. I ricercatori hanno poi utilizzato un impulso di microonde per dividere la nuvola in due gruppi uguali di atomi mutuamente incompatibili, come l'olio e l'acqua. Questi due gruppi hanno iniziato immediatamente a separarsi, formando gocce casuali che si sono fuse e sono cresciute finché non sono emersi due grandi domini distinti sui lati opposti della scatola. Il confine tra di essi era l'oggetto dello studio. Mentre gli atomi si assestavano, l'interfaccia tra i due domini ha iniziato a fluttuare, creando onde di diverse dimensioni. I ricercatori hanno misurato l'altezza di questo confine con estrema precisione, tracciando come queste onde cambiassero in un periodo di circa quattro secondi.

Ciò che hanno scoperto è stato una sorprendente divisione nel comportamento. Le onde sull'interfaccia presentavano molte dimensioni, dalle increspature brevi e serrate alle ondulazioni lunghe e ampie. Le increspature corte ad alta frequenza hanno perso rapidamente la loro energia verso la nuvola circostante di atomi, assestandosi a una temperatura che corrispondeva a quella del resto del gas. Tuttavia, le onde lunghe a bassa frequenza si sono comportate diversamente. Queste grandi increspature rimanevano calde, trattenendo significativamente più energia rispetto al resto del sistema. Il sistema aveva raggiunto uno stato in cui le piccole onde erano calme, ma le grandi onde erano ancora agitate, creando una configurazione pretermica di lunga durata.

Per comprendere questo, gli scienziati hanno dovuto esaminare come l'energia si muove tra queste onde e gli atomi circostanti. In un sistema tipico, l'energia fluisce liberamente finché tutto non è alla stessa temperatura. Qui, le regole del moto impedivano tale flusso per le onde grandi. I ricercatori hanno scoperto che le grandi increspature erano cinematicamente isolate. Ciò significa che le leggi della fisica che governano il loro movimento rendevano impossibile per esse trasferire facilmente la propria energia agli atomi circostanti attraverso i normali processi simili a collisioni. L'energia necessaria per far sì che una grande increspatura cedesse il proprio calore non corrispondeva all'energia disponibile negli atomi circostanti, creando un disallineamento che bloccava il trasferimento. È simile al tentativo di spingere un grosso masso con una leggera brezza; la brezza non può spostare la pietra, non importa quanto soffii.

Il team ha confermato questa isolazione misurando direttamente la temperatura delle onde. Hanno scoperto che la temperatura delle grandi increspature era molto più alta di quella del gas circostante, mentre le piccole increspature si erano raffreddate per corrispondere al gas. Hanno anche escluso altre possibilità, come il fatto che le onde formassero uno stato speciale e coerente come un raggio laser, mostrando che le onde seguivano un normale schema statistico, sebbene con la temperatura errata. I dati hanno mostrato che le grandi onde decadimento in modo incredibilmente lento, con un tempo misurato di circa cinque secondi per rilassarsi, un tempo molto più lungo di quello impiegato dalle piccole onde per assestarsi.

Questa scoperta fornisce un chiaro esempio sperimentale di come un sistema possa rimanere bloccato in uno stato pretermico non perché sia perfettamente ordinato, ma perché i modi specifici in cui l'energia può muoversi sono bloccati dalla geometria stessa del sistema. I ricercatori hanno osservato che l'interfaccia tra i due domini atomici agiva come un sottosistema che era effettivamente isolato dal resto del mondo per un periodo significativo. Mentre le piccole onde trovavano una via verso l'equilibrio, le grandi onde rimanevano intrappolate in uno stato di energia elevata, in attesa di un'interazione rara e complessa che permettesse finalmente loro di raffreddarsi.

Il lavoro evidenzia un aspetto fondamentale della meccanica quantistica: anche in un sistema che non è perfettamente isolato, certe parti possono rimanere fuori dall'equilibrio per molto tempo se i percorsi di scambio energetico sono bloccati. I ricercatori hanno notato che, sebbene avessero identificato il meccanismo di questo rilassamento lento, i processi esatti che hanno inizialmente creato questo stato pretermico e i dettagli completi di come esso decada infine rimangono domande aperte. Suggeriscono che la risposta possa risiedere nel modo in cui le singole onde perdono la loro coerenza di fase o si mescolano tra loro all'interno del gruppo pretermico. Fornendo una piattaforma pulita e controllabile per studiare queste dinamiche, questo esperimento apre una nuova finestra per comprendere come i sistemi quantistici complessi si avvicinano all'equilibrio, un processo che è centrale per il comportamento della materia alle scale più piccole.