La riproduzione di uno stato di localizzazione degli elettroni – fenomeno responsabile dell’insorgenza di proprietà isolanti in particolari materiali –, realizzata da un simulatore quantistico costituito da atomi ultrafreddi, potrebbe aprire una nuova strada nello sviluppo di materiali superconduttori a temperatura ambiente. Lo studio, realizzato dalla collaborazione italiana di cui fanno parte ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze, dell’INFN, del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Nonlineari (LENS), dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO) e della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), ha mostrato, infatti, la possibilità di un nuovo stato della materia, intrappolando atomi in “cristalli” di luce laser. Il lavoro, pubblicato il 23 settembre sulla rivista Nature Physics, ha visto un contributo decisivo dell’INFN, che ha cofinanziato la ricerca nell’ambito dell'esperimento FISh, nel contesto del quale sono state sviluppate le metodologie sperimentali utilizzate.
Il risultato è stato reso possibile grazie alla realizzazione di un vero e proprio dispositivo quantistico, ottenuto utilizzando un gas raffreddato a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto e composto da atomi caratterizzati da uno spin totale semintero simile a quello dei fermioni, la classe di particelle a cui appartengono anche elettroni e quark, che rappresentano quindi degli ottimi modelli per verificare il comportamento di questi costituenti elementari della materia. Una volta fatto ciò, la collaborazione è stata in grado di catturare gli atomi del gas in cristalli fatti di luce e, per mezzo di sofisticate tecnologie laser, a controllare in maniera accurata il loro spin.
“Abbiamo utilizzato gas atomici di Itterbio, che hanno la proprietà di potersi trovare in molteplici stati di spin,” spiega Leonardo Fallani, professore dell’Università degli Studi di Firenze e ricercatore INFN a guida della collaborazione TOPSIM, “e godono anche di una particolare proprietà di simmetria: come i quark nella materia nucleare, che interagiscono tra di loro in maniera indipendente dal loro colore, così gli atomi che abbiamo utilizzato interagiscono in maniera indipendente dal loro spin. Con la luce laser abbiamo creato un accoppiamento tra stati di spin diversi, rompendo questa simmetria in maniera controllata, e studiando per la prima volta l’effetto di questo accoppiamento sul comportamento del sistema”.
Il principale risultato della ricerca è, appunto, l’osservazione di un nuovo stato della materia in cui gli atomi si muovono più o meno liberamente a seconda che i loro spin siano accoppiati o meno dalla luce laser. Questo effetto è di grande importanza per lo studio di una particolare tipologia di materiali superconduttori ad alta temperatura, dove si ipotizza che un processo simile, indotto però da un accoppiamento magnetico tra diversi orbitali elettronici, sia alla base del comportamento superconduttivo, che può emergere in presenza di drogaggio a partire da uno stato di isolante elettrico (isolante di Mott), come quello studiato nell’esperimento.
“Questa ricerca – continua Leonardo Fallani – apre le porte a molti possibili sviluppi, dallo studio accurato dei meccanismi della superconduttività alla progettazione di prototipi di nuovi materiali. Le nuove tecniche sperimentali che abbiamo messo a punto potranno anche servire per estendere la simulazione quantistica alla fisica delle interazioni fondamentali, per lo studio dei processi che avvengono tra particelle elementari”.
l lavoro si è svolto nell’ambito del progetto ERC Consolidator Grant TOPSIM, di cui è responsabile Leonardo Fallani presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Firenze, in sinergia con il Laboratorio Europeo di Spettroscopie Nonlineari (LENS), l’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO) e la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA).
