Viscous hydrodynamics from correlated losses

Nel mondo silenzioso degli atomi ultra-freddi, gli scienziati studiano come collezioni di particelle si comportano quando vengono raffreddate a temperature vicine allo zero assoluto. Di solito, se un gas fluisce come un fluido o si muove come un flusso di proiettili indipendenti dipende da quanto spesso le particelle si scontrano tra loro. Se le particelle collidono raramente, volano in linea retta, mantenendo la loro velocità e direzione finché non colpiscono il bordo del loro contenitore. Questo è il comportamento di un gas ideale. Tuttavia, se le particelle collidono frequentemente, esse scambiano costantemente quantità di moto ed energia, costringendo il gruppo a stabilizzarsi in un equilibrio locale dove calore e movimento si diffondono uniformemente. Questo è il comportamento di un fluido, governato da proprietà come la viscosità, che misura quanto un fluido sia denso o resistente al flusso. Per decenni, i ricercatori hanno creato questi stati simili a fluidi modulando le forze tra gli atomi, rendendoli fortemente interagenti affinché le collisioni avvengano con la frequenza massima consentita dalla meccanica quantistica.

Ma cosa succederebbe se il gas non avesse alcuna forza tra le sue particelle? Cosa succederebbe se fosse un gas perfetto e ideale dove gli atomi non dovrebbero mai toccarsi? Per molto tempo, la risposta sembrava ovvia: senza collisioni, non può esserci flusso fluido. Eppure, un nuovo studio di ricercatori dell'Università di Konstanz suggerisce che anche in un gas privo di interazioni interne, un fluido può emergere se il sistema sta perdendo particelle in un modo specifico. La chiave non risiede in ciò che le particelle fanno l'una all'altra, ma in come esse scompaiono. Quando gli atomi vengono persi da una trappola, di solito scompaiono uno alla volta, il che non cambia il moto dei sopravvissuti. Ma se gli atomi vengono persi solo quando si incontrano in coppia, l'atto di scomparire li costringe a interagire. Questa scoperta controintuitiva mostra che la perdita stessa può ingegnerizzare le collisioni necessarie per trasformare un gas in un fluido in movimento.

I ricercatori si sono concentrati su un gas di atomi che non interagivano tra loro, il che significa che non avevano una tendenza naturale a disperdersi o rimbalzare l'uno contro l'altro. In un esperimento tipico, un gas del genere semplicemente si disperderebbe o decadrebbe se le particelle venissero rimosse. Tuttavia, il team ha considerato uno scenario in cui le particelle vengono rimosse solo quando due di esse si trovano nello stesso posto nello stesso momento. Questo è noto come perdita a due corpi (two-body loss). Ciò accade negli esperimenti reali quando due atomi collidono e si uniscono per formare una molecola che vola fuori dalla trappola, o quando reagiscono chimicamente e lasciano il sistema. I ricercatori hanno scoperto che questo requisito della presenza di una coppia crea un meccanismo nascosto. Poiché il processo di perdita rimuove le coppie, esso costringe efficacementamente gli atomi rimanenti a disperdersi l'uno dall'altro per evitare di essere persi.

Questo fenomeno si basa su una regola fondamentale della fisica quantistica chiamata teorema ottico, che collega la probabilità che una particella venga assorbita alla probabilità che essa venga diffusa. In questo caso, l' "assorbimento" è la perdita della coppia dalla trappola. Il teorema stabilisce che se un processo può rimuovere una coppia, deve anche causare il rimbalzo elastico di alcune coppie l'una contro l'altra, cambiando la loro direzione senza essere perse. Di solito, questo scattering elastico è un effetto collaterale minuscolo rispetto alla perdita. Tuttavia, i ricercatori hanno dimostrato che quando la perdita è molto forte, la situazione si ribalta. La forte perdita agisce come una misurazione continua, controllando costantemente se due atomi sono vicini tra loro. Questo "osservare" tiene gli atomi lontani, impedendo loro di essere persi, ma simultaneamente massimizza la possibilità che rimbalzino l'uno contro l'altro. Il risultato è un gas in cui le collisioni sono guidate interamente dalla minaccia della perdita, piuttosto che da qualsiasi forza intrinseca tra gli atomi.

Il team ha calcolato come si sarebbe comportato questo gas nel tempo e ha scoperto che fluisce proprio come i fluidi più collisionali conosciuti in natura, come il gas di Fermi unitario, famoso per avere la viscosità più bassa possibile. Nel loro modello, il gas sviluppava una viscosità e una conducibilità termica che si avvicinavano a questi limiti estremi, nonostante gli atomi non avessero alcuna attrazione o repulsione intrinseca. Mentre il gas perdeva lentamente particelle, si riscaldava anche. I ricercatori hanno scoperto un modello preciso in questo riscaldamento: la temperatura e la densità cambiavano nel tempo seguendo una regola universale, crescendo o diminuendo con un esponente specifico di tre ottavi. Ciò significa che mentre il gas si diradava e diventava più caldo, la sua capacità di fluire e condurre calore aumentava in modo prevedibile, dettato non dalla forza della perdita, ma dai limiti fondamentali della meccanica quantistica.

Questa scoperta sfida la visione tradizionale secondo cui il comportamento fluido richiede forti interazioni coerenti tra le particelle. Al contrario, dimostra che la dissipazione ingegnerizzata — la progettazione attenta di come un sistema perde energia o particelle — può creare le collisioni stesse che rendono un fluido. I ricercatori hanno sottolineato che questo effetto è più prominente quando la perdita è abbastanza forte da dominare il comportamento del sistema, spingendo il gas in un regime in cui si comporta come se fosse al "limite unitario", il punto di massima interazione possibile consentito dalle leggi quantistiche. Hanno osservato che ciò si applica sia ai bosoni che ai fermioni, a patto che il gas non sia così denso da far prevalere la statistica quantistica.

Lo studio suggerisce che gli scienziati possono usare questo meccanismo per creare e studiare la dinamica dei fluidi in sistemi dove le interazioni sono altrimenti assenti. Modulando il tasso con cui le coppie di atomi vengono perse, i ricercatori potrebbero potenzialmente controllare il flusso della materia quantistica senza dover regolare i campi magnetici per creare forti forze. Ciò apre una nuova strada per esplorare il trasporto nei materiali quantistici, dove la perdita non è più vista come un fastidio che rovina gli esperimenti, ma come una risorsa che può essere utilizzata per costruire nuovi stati della materia. Il lavoro fornisce un quadro teorico chiaro su come osservare questo effetto negli esperimenti con atomi freddi, indicando condizioni specifiche in cui il gas passerebbe da uno stato balistico non interagente a un fluido idrodinamico guidato esclusivamente dall'atto di perdere particelle.