Fragmentation of Quantum Fluid in dipolar Bose-Einstein condensate

Negli angoli più freddi dell'universo, dove gli atomi sono raffreddati a temperature che sono solo un sussurro sopra lo zero assoluto, la materia si comporta in modi che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Qui, nel regno della fisica quantistica, nubi di gas possono trasformarsi in un'entità singola e unificata nota come condensato di Bose-Einstein. In questo stato, migliaia di atomi perdono le loro identità individuali e marciano all'unisono, agendo come un'unica onda gigante. Gli scienziati studiano da tempo come questi fluidi scorrano senza attrito, una proprietà chiamata superfluidità. Più recentemente, i ricercatori hanno scoperto che, in condizioni specifiche, questi stessi fluidi possono anche formare minuscole goccioline auto-contenute che si comportano come un liquido, pur rimanendo congelate in un modello rigido, simile a un cristallo. Questo strano stato ibrido, che possiede il flusso di un liquido e la struttura di un solido, è chiamato supersolido. Comprendere come questi materiali si formino, e cosa causi la loro rottura o frammentazione, è fondamentale per sviluppare la prossima generazione di tecnologie quantistiche, dai sensori ultra-precisi ai computer avanzati.

Un team di ricercatori presso la Bennett University in India ha esaminato recentemente più da vicino le forze che governano questo delicato equilibrio. Si sono concentrati su un tipo specifico di fluido quantistico composto da atomi che possiedono un dipolo magnetico, il che significa che agiscono come minuscoli magneti bar. Questi atomi magnetici interagiscono tra loro su lunghe distanze, creando un complesso tiro alla fune tra diversi tipi di forze. Alcune forze tirano gli atomi insieme, mentre altre li spingono lontano. I ricercatori volevano capire come questi spintoni e tiranti contrastanti, combinati con sottili fluttuazioni quantistiche, potessero causare la frammentazione di un fluido liscio e uniforme in una serie di goccioline distinte e separate. Eseguendo simulazioni informatiche dettagliate, hanno mappato esattamente come il fluido cambi forma e comportamento mentre modificavano la forza di queste interazioni.

Lo studio è iniziato modellando un tubo lungo e stretto di questo fluido quantistico magnetico. In questo ambiente, gli atomi sono compressi così strettamente dai lati che possono muoversi liberamente solo avanti e indietro lungo la lunghezza del tubo. I ricercatori hanno introdotto tre tipi principali di interazioni nel loro modello. Primo, c'era l'attrazione standard tra gli atomi che cerca di farli raggruppare. Secondo, hanno incluso una forza repulsiva che deriva dalle fluttuazioni quantistiche, che agisce come una rete di sicurezza per impedire al fluido di collassare completamente. Terzo, hanno tenuto conto della repulsione magnetica a lungo raggio tra gli atomi. Regolando la forza della repulsione magnetica mantenendo costanti le altre forze, il team ha osservato cosa accadeva al fluido.

Hanno scoperto che quando la repulsione magnetica era debole, il fluido rimaneva un unico blocco liscio. Tuttavia, aumentando gradualmente la spinta magnetica, il fluido iniziava a perdere la sua forma uniforme. A una specifica soglia, il blocco liscio ha iniziato a frammentarsi in una serie di picchi separati, somigliando a una collana di perle. Questo processo, noto come frammentazione, non avveniva casualmente. I ricercatori hanno osservato che il fluido sviluppava prima un'instabilità specifica nelle sue vibrazioni interne, un fenomeno che hanno identificato come un "modo rotondezza" (roton mode). Potete pensare a questo come a un'onda nel fluido che improvvisamente rallenta e si ferma, causando il collasso e la deformazione del materiale su se stesso. Una volta che questa vibrazione ha raggiunto un punto critico, il fluido si è organizzato spontaneamente in un modello periodico di goccioline.

Fondamentalmente, il team ha scoperto che la presenza della forza di fluttuazione quantistica è essenziale affinché la frammentazione avvenga. Se avessero rimosso questa rete di sicurezza repulsiva dai loro calcoli, il fluido non avrebbe prodotto la struttura frammentata osservata. Ciò ha confermato che l'interazione tra le forze attrattive, la repulsione magnetica e le fluttuazioni quantistiche è il meccanismo chiave che spinge il fluido a frammentarsi. I ricercatori hanno anche notato che, mentre il fluido si frammentava a causa dell'aumento della repulsione magnetica, la frazione superfluidica diminuiva di circa il 28%. Questo calo della frazione suggerisce che gli atomi stavano venendo bloccati in posizione, incastrati nella nuova disposizione cristallina delle goccioline, un segno distintivo dello stato di supersolido.

Il team ha poi esplorato cosa sarebbe successo se avessero cambiato la forza di attrazione che tira gli atomi insieme, invece della repulsione magnetica. In questo scenario, hanno scoperto che il fluido poteva formare goccioline dalla cima piatta, che sono stabili e uniformi al centro. Tuttavia, se l'attrazione diventava troppo forte, anche queste gocce piatte diventavano instabili e si rompevano. Questa volta, la rottura era guidata da un meccan diverso chiamato instabilità modulazionale. In questo processo, piccole increspature nel fluido crescono sempre di più finché la singola goccia non si divide in molte più piccole. I ricercatori hanno osservato che, man mano che le goccioline si frammentavano, l'entità del "rumore" quantistico o del depauperamento nel sistema aumentava, il che significa che meno atomi rimanevano nello stato perfetto e sincronizzato. In questo caso specifico, tuttavia, la frazione superfluidica rimaneva relativamente fissa vicino all'unità, indicando che gli atomi mantenevano la loro capacità di scorrere senza resistenza anche mentre la frazione del condensato diminuiva.

Infine, i ricercatori hanno indagato come il numero di atomi nel fluido influenzasse questi risultati. Hanno scoperto che aumentare il numero di atomi spingeva effettivamente il fluido a una transizione da una forma localizzata a un profilo a cima piatta e infine a goccioline frammentate. Questo effetto è stato osservato sia che la repulsione magnetica fosse presente o meno, sebbene i dettagli specifici dell'instabilità cambiassero leggermente in ogni caso. In presenza di repulsione magnetica, l'aggiunta di più atomi ha soppresso il tasso di crescita dell'instabilità, eppure la frammentazione è emersa comunque con l'evoluzione del sistema. In ogni scenario, la frazione superfluidica è rimasta relativamente alta, indicando che anche quando il fluido si rompeva in pezzi, gli atomi all'interno di questi pezzi mantenevano una forte connessione tra loro. Lo studio conclude che la frammentazione di questi fluidi quantistici è un fenomeno robusto guidato dalla competizione tra diverse forze, e che comprendere questo equilibrio è essenziale per controllare la transizione tra un liquido in movimento e un cristallo supersolido rigido. Queste scoperte forniscono una tabella di marcia più chiara per gli sperimentali che cercano di creare e manipolare questi stati esotici della materia in laboratorio.