Il Mare di Fermi ha qualcosa di nuovo da mostrarci

Devo raccontarvi una cosa che è appena successa nel mondo della fisica quantistica, e onestamente? Mi sta facendo impazzire un po'.

I ricercatori hanno creato quello che chiamano un "mare di Fermi frazionario" — e questa roba è davvero strana. Nel senso di "forse dobbiamo aggiornare i nostri libri di testo" strana.

Il Mare di Fermi: dove le particelle seguono le regole

Cerco di spiegarvelo in modo che non vi faccia male la testa (si spera).

Ricordate alle elementari, quando avete imparato che gli elettroni orbitano attorno agli atomi in gusci? Ecco, a livello quantistico le cose sono molto più organizzate di così. Ci sono regole — davvero rigide — su come certe particelle chiamate "fermioni" (che includono gli elettroni) si dispongono, soprattutto quando fa molto freddo.

Queste particelle si impilano nei livelli energetici disponibili come persone che prendono posto in un teatro. Non possono tutte ammucchiarsi nello stesso posto. Questa disposizione ordinata a bassa temperatura è quello che i fisici chiamano un "mare di Fermi".

È un sistema bellissimo e ordinato. Ma è qui che diventa interessante.

Cosa succede se lo turbiamo?

I ricercatori — guidati dal team di Hanns-Christoph Nägerl insieme al teorico Alvise Bastianello — volevano sapere cosa sarebbe successo se avessero dato una bella scossa a questo sistema organizzato. Hanno preso atomi di cesio ultrafreddi e li hanno fatti passare ripetutamente tra condizioni in cui si respingevano fortemente e condizioni in cui si attraevano fortemente.

Pensatelo come a dare pugni ripetuti a una torre perfettamente impilata di blocchi. Non vi aspettereste che mantenessero un certo ordine, vero?

Be', è esattamente quello che avrebbe dovuto succedere a queste particelle quantistiche. Il sistema avrebbe dovuto diventare caotico e disordinato.

Ma... non è andata così.

Il Mare di Fermi Frazionario: ordine nel caos

Invece di cadere nel caos, gli atomi si sono riorganizzati in qualcosa di completamente nuovo. I ricercatori lo chiamano "mare di Fermi frazionario" perché le particelle sembrano seguire una versione modificata delle solite regole di occupazione quantistica.

Questo è davvero sorprendente. Come ha detto uno dei ricercatori: "Questo stato è altamente eccitato, ma non è casuale. Ha un ordine nascosto che diventa visibile nelle sue correlazioni."

Non è incredibile? Il sistema è energizzato, spinto lontano da quello che i fisici chiamano "equilibrio" (fondamentalmente, quando le cose si sono stabilizzate), eppure mantiene una struttura organizzativa segreta sotto la superficie.

Perché è importante

Ecco perché trovo tutto questo così emozionante: abbiamo basically scoperto un nuovo tipo di comportamento quantistico che le teorie esistenti non avevano previsto.

Il team ha trovato pattern distintivi in come queste particelle si correlano tra loro — inclusa una cosa chiamata "oscillazioni di Friedel" (variazioni a onda) — che non combaciano con quello che i nostri modelli standard suggerirebbero.

La teoria di riferimento usuale per i sistemi quantistici unidimensionali è qualcosa chiamata teoria del liquido di Tomonaga-Luttinger. Ma questo nuovo mare di Fermi frazionario non si inserisce perfettamente in quella casella.

Cosa significa per la scienza?

Onestamente? Apre un intero nuovo parco giochi per i fisici.

Potere creare e studiare stati quantistici eccitati mantenendo quell'ordine nascosto dà ai ricercatori un nuovo modo per esplorare la materia quantistica. È come scoprire una nuova stanza in una casa che credevamo di aver completamente mappato.

Inoltre, c'è qualcosa di genuinamente bello nel fatto che anche quando perturbi violentemente un sistema quantistico, la natura trova un modo per imporre una struttura. Mi ricorda che l'universo è molto più strano ed elegante di quanto spesso gli diamo credito.

I ricercatori stessi lo descrivono come "un modo controllato per esplorare la materia quantistica oltre i soliti paradigmi di equilibrio" — che, in linguaggio scientifico, significa sostanzialmente "abbiamo appena trovato qualcosa di nuovo da studiare per anni".

Terrò d'occhio dove porterà tutto questo. Se siete tanto nerd quanto me su queste cose, dovreste farlo anche voi.

Fonte: ScienceDaily