I fisici costruiscono un microscopio a quantum-gas per atomi fermionici

  Lawrence Cheuk  regola la configurazione ottica per il raffreddamento laser di atomi di sodio.

Un gruppo di fisici ha costruito un microscopio che è in grado di bloccare e fissare contemporaneamente 1.000 singoli atomi fermionici.

I fermioni sono i mattoni della materia, che interagiscono in una moltitudine di permutazioni per dare luogo agli elementi della tavola periodica. Senza fermioni, il mondo fisico non esisterebbe.

Esempi di fermioni sono elettroni, protoni, neutroni, quark, e atomi costituiti da un numero dispari di queste particelle elementari. A causa della loro natura fermionica, elettroni e la materia nucleare sono difficili da capire in teoria, per cui i ricercatori stanno cercando di utilizzare i gas di atomi ultrafreddi fermionici come controfigure per gli altri fermioni.

Ma sono atomi estremamente sensibili alla luce: quando un singolo fotone colpisce un atomo, questo può mettere la particella fuori luogo - effetto che ha fatto da immagine a  singoli atomi fermionici diabolicamente duri, quindi difficili da osservare. Ora un team di fisici del MIT ha costruito un microscopio in grado di vedere fino a 1.000 singoli atomi fermionici. I ricercatori hanno messo a punto una tecnica a base di laser per intrappolare e congelare fermioni sul posto, e l'immagine delle particelle contemporaneamente. La nuova tecnica di immagini utilizza due raggi laser puntati su una nuvola di atomi fermionici in un reticolo ottico. I due fasci, ciascuno di una lunghezza d'onda diversa, raffreddano la nuvola, causando ai singoli fermioni una discesa di livello di energia, alla fine li porta ai loro stati più bassi di energia - freschi e abbastanza stabili per rimanere sul posto. Allo stesso tempo, ogni luce rilascia fermioni, che vengono catturati dal microscopio e utilizzata per l'immagine esatta posizione del fermione nel reticolo -con una precisione superiore alla lunghezza d'onda della luce. Con la nuova tecnica, i ricercatori raffreddano e producono immagini per oltre il 95 percento degli atomi fermionici che costituiscono una nube di gas di potassio. Martin Zwierlein,  professore di fisica al MIT, riferisce di un risultato intrigante con questa tecnica che può mantenere i fermioni freddi anche dopo l'immagine.

"Ciò significa che io so dove sono, -dice Zwierlein- e posso forse spostarli in giro , come se avessi una pinzetta, in qualsiasi posizione, e disporli in qualsiasi modello che voglio".

Zwierlein e dei suoi colleghi, tra cui il primo autore e lo studente laureato Lawrence Cheuk, hanno pubblicato i risultati su Physical Review Letters .

Come si possono vedere fermioni da bosoni

Negli ultimi due decenni, i fisici sperimentali hanno studiato gas atomici ultrafreddi delle due classi di particelle: bosoni e fermioni - particelle, come i fotoni che, a differenza dei fermioni, possono occupare lo stesso stato quantico in numero illimitato. Nel 2009, il fisico Markus Greiner (Università di Harvard) ha ideato un microscopio che riprendeva con successo i singoli bosoni in un reticolo ottico, ben distanziati. Traguardo seguito, nel 2010, da un secondo microscopio di Higgs, sviluppato dal gruppo di Immanuel Bloch all'Istituto Max Planck di ottica quantistica .Questi microscopi hanno rivelato, in un dettaglio senza precedenti, il comportamento dei bosoni sotto forti interazioni. Tuttavia, nessuno aveva ancora sviluppato un microscopio comparabile per osservare gli atomi fermionici. "Abbiamo voluto fare ciò che questi gruppi avevano fatto per i bosoni, anche per i fermioni, -dice Zwierlein - e si è scoperto che era molto più difficile per i fermioni. Gli atomi che usiamo non sono così facilmente raffreddabili. Abbiamo dovuto trovare un nuovo modo per raffreddarli, mentre li stiamo osservando. "

Tecniche per raffreddare gli atomi sempre più vicini allo zero assoluto sono stati concepite negli ultimi decenni. Carl Wieman, Eric Cornell, e del MIT Wolfgang Ketterle hanno raggiunto la condensazione di Bose-Einstein, nel 1995, una pietra miliare per la quale sono stati assegnati il ​​ Nobel 2001 per la fisica. Altre tecniche comprendono un processo che utilizza il laser per raffreddare gli atomi a 300 gradi centigradi per un paio di decimillesimi di grado sopra lo zero assoluto.

La tecnica di raffreddamento intelligente

E tuttavia, per vedere i singoli atomi fermionici, le particelle devono essere raffreddate ancora ulteriormente. Il gruppo di Zwierlein ha allora creato un reticolo ottico,usando fasci laser,  per formare una struttura simile a una scatola di uova, con ciascun pozzetto potenzialmente in grado di intrappolare un singolo fermione. Attraverso varie fasi di raffreddamento laser, intrappolamento magnetico, e l'ulteriore raffreddamento evaporativo del gas, gli atomi sono stati preparati a temperature appena sopra lo zero assoluto - abbastanza freddo per i singoli fermioni per risolversi anche sul reticolo ottico sottostante. Il team ha posto il reticolo a soli 7 micron,di distanza da una lente per registrare immagini, attraverso la quale speravano di vedere i singoli fermioni.

Tuttavia,  per vedendo fermioni  si richiede una loro buona illuminazione, provocando con un fotone di colpire essenzialmente un atomo fermionico, e potenzialmente fuori l'intero sistema.

"Avevamo bisogno -dice Zwierlein - di una tecnica intelligente per mantenere gli atomi freddi mentre li guardavamo ".Il suo team ha deciso di utilizzare l’approccio con due laser per raffreddare ulteriormente gli atomi; la tecnica manipola un particolare livello di energia di un atomo, o energia vibrazionale. Ogni atomo occupa un certo stato energetico - maggiore è tale stato, più attiva è la particella. Il team ha utilizzato due raggi laser di diversa frequenza al reticolo. La differenza nelle frequenze, corrisponde alla energia tra i livelli di energia di un fermione. Di conseguenza, quando entrambi i fasci sono stati diretti su un fermione, la particella assorbirebbe la frequenza del più piccolo, ed emette un fotone dal fascio grande frequenza, a sua volta, lasciando cadere un livello di energia su un dispositivo di raffreddamento, per raggiungere uno stato più inerte. La lente sopra il reticolo raccoglie il fotone emesso, registrando la posizione precisa, e quella del fermione.

Zwierlein, dice, che immagini ad alta risoluzione di oltre 1.000 atomi fermionici contemporaneamente aumenterebbe la nostra comprensione del comportamento degli altri fermioni in natura - in particolare il comportamento degli elettroni. Questa conoscenza forse un giorno farà progredire la comprensione di superconduttori ad alta temperatura, che consentono il trasporto di energia con meno perdita, così come i sistemi quantistici, come i sistemi a stato solido o materia nucleare."Il microscopio a gas di Fermi, insieme con la capacità di atomi di essere posizionati a volontà, -dice ancora Zwierlein - potrebbe essere un passo importante verso la realizzazione di un computer quantistico basato su fermioni. Si potrebbe quindi sfruttare la potenza delle stesse regole quantistiche intricate che finora ostacolano la nostra comprensione dei sistemi elettronici.E’ un buon momento per microscopisti  che lavorano coi gas di Fermi: vi lavora il suo gruppo che per primo ha annunciato i risultati, le squadre di Harvard e l'Università di Strathclyde- Glasgow- hanno riportato anche l'immagine di singoli atomi fermionici in reticoli ottici, che indicano un futuro promettente per questi microscopi” . Zoran Hadzibabic , professore di fisica (Trinity College), ha detto che  il microscopio del  suo gruppo è in grado di rilevare i singoli atomi "con quasi perfetta fedeltà. Li rileva in modo affidabile, e lo fa senza compromettere la loro posizione - questo è tutto quello che si vuole, -ha proseguito Hadzibabic, che non ha contribuito alla ricerca. Finora è stata dimostrata la tecnica, ma sappiamo dall'esperienza con bosoni che questo è il passo più difficile, e attendo che arrivino i risultati scientifici ."

La ricerca è stata finanziata dal National Science Foundation, l'ufficio Air Force di ricerca scientifica, l'Office of Naval Research, l'ufficio di Ricerca dell'Esercito, e il David e Lucile Packard Foundation.