I fisici ci sono ricascati: hanno scoperto un nuovo stato quantistico che ha perfettamente senso sulla carta e assolutamente nessuno nel cervello di una persona normale. In uno studio pubblicato su Physical Review Letters, i ricercatori guidati da Hanns-Christoph Nägerl, in collaborazione con il fisico teorico Alvise Bastianello del CNRS e dell'Université Paris-Dauphine, hanno descritto come ingegnerizzare uno stato quantistico esotico noto come "mare di Fermi frazionario". Il nome da solo suona come una specialità di pesce scartata, ma la fisica è genuinamente strana.

La svolta consiste nel spingere atomi di cesio ultrafreddi ben oltre le loro condizioni normali, cambiando ripetutamente quanto fortemente si attraggono o si respingono. Invece di diventare semplicemente disordinati – cosa che la maggior parte di noi fa sotto stress ripetuto – le particelle si riorganizzano in una configurazione insolita che si comporta diversamente dai sistemi quantistici tradizionalmente studiati dagli scienziati. Le scoperte teoriche forniscono la base per la recente ricerca sperimentale condotta dal team di Nägerl presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale.

In condizioni ordinarie, le particelle quantistiche seguono regole ben stabilite che determinano come si dispongono, in particolare a temperature estremamente basse. Un esempio importante riguarda i fermioni, una categoria di particelle che include gli elettroni. Queste particelle non possono occupare tutte lo stesso stato quantistico, quindi riempiono i livelli energetici disponibili secondo specifiche restrizioni. A temperature molto basse, questa disposizione produce quello che i fisici chiamano mare di Fermi. È ordinato, prevedibile e – diciamocelo – un po' noioso.

Ma cosa succede quando i ricercatori perturbano deliberatamente le condizioni che normalmente governano il comportamento delle particelle? Come spiega Alvise Bastianello: "I fermioni, per esempio, si impilano ordinatamente negli stati energetici disponibili per formare il cosiddetto 'mare di Fermi'. Ma cosa succede se si costringono atomi interagenti a ciclare continuamente attraverso condizioni estreme, passando fluidamente da una forte repulsione a una forte attrazione?" È l'equivalente quantistico del chiedersi cosa succede se si continua a premere l'interruttore di una lampadina molto piccola e molto confusa.

Per indagare questa possibilità, i ricercatori hanno studiato atomi di cesio ultrafreddi confinati in un sistema unidimensionale. Ciò significa che gli atomi sono limitati a muoversi lungo una singola direzione, creando un ambiente in cui le loro interazioni quantistiche possono essere studiate con un controllo eccezionale. Il team ha esaminato cosa succede quando le interazioni tra questi atomi vengono ripetutamente regolate, alternando una potente repulsione e attrazione.

I loro calcoli hanno rivelato qualcosa di inaspettato. Partendo dallo stato fondamentale, la configurazione a energia più bassa disponibile per il sistema, gli atomi potevano essere portati in uno stato altamente eccitato senza perdere la loro organizzazione di fondo. I ricercatori chiamano questa insolita disposizione mare di Fermi frazionario perché le sue particelle sembrano obbedire a una regola modificata che governa l'occupazione degli stati quantistici.

"Invece di riscaldare semplicemente il sistema, il ciclo di interazione riorganizza gli atomi in un nuovo stato a molti corpi", afferma Yi Zeng, autore principale di questo studio. "Questo ci offre un modo controllato per esplorare la materia quantistica oltre i soliti paradigmi di equilibrio." In altre parole, hanno scosso la lavagna magica quantistica e hanno ottenuto un capolavoro invece di un pasticcio.

Una delle caratteristiche più intriganti del mare di Fermi frazionario è che le sue particelle rimangono organizzate anche se il sistema è stato spinto lontano dall'equilibrio. In fisica, l'equilibrio descrive una condizione in cui le proprietà complessive di un sistema si sono stabilizzate in un equilibrio stabile. I sistemi spinti lontano dall'equilibrio possono comportarsi in modi complicati e inaspettati, rendendoli particolarmente difficili da comprendere. Eppure il mare di Fermi frazionario non è semplicemente una raccolta di particelle eccitate che si comportano casualmente. Invece, contiene distintivi schemi matematici che rivelano una profonda