Effetto fisico valido anche nel mondo quantistico

20 gennaio 2023 (Notizie Nanowerk) I fisici dell'Università di Bonn hanno dimostrato sperimentalmente che un importante teorema della fisica statistica si applica ai cosiddetti "condensati di Bose-Einstein". I loro risultati ora consentono di misurare alcune proprietà delle "superparticelle" quantistiche e di dedurre caratteristiche del sistema che altrimenti sarebbero difficili da osservare. Lo studio è stato ora pubblicato in Physical Review Letters ("Relazione di fluttuazione-dissipazione per un condensato di fotoni di Bose-Einstein"). Supponiamo che davanti a te ci sia un contenitore pieno di un liquido sconosciuto. Il tuo obiettivo è scoprire di quanto le particelle in esso contenute (atomi o molecole) si muovono avanti e indietro in modo casuale a causa della loro energia termica. Tuttavia, non si dispone di un microscopio con il quale è possibile visualizzare queste fluttuazioni di posizione note come "moto browniano". Si scopre che non ne hai affatto bisogno: puoi anche semplicemente legare un oggetto a una corda e farlo passare attraverso il liquido. Più forza devi applicare, più viscoso sarà il tuo liquido. E più è viscoso, meno le particelle nel liquido cambiano in media la loro posizione. La viscosità a una data temperatura può quindi essere utilizzata per prevedere l'entità delle fluttuazioni. La legge fisica che descrive questa relazione fondamentale è il teorema di fluttuazione-dissipazione. In parole semplici, afferma: maggiore è la forza che devi applicare per perturbare un sistema dall'esterno, meno fluttuerà casualmente (cioè statisticamente) da solo se lo lasci stare. "Ora abbiamo confermato per la prima volta la validità del teorema per un gruppo speciale di sistemi quantistici: i condensati di Bose-Einstein", spiega il dott. Julian Schmitt dell'Istituto di fisica applicata dell'Università di Bonn. I fotoni (verdi) possono essere "inghiottiti" dalle molecole di colorante (rosso) e successivamente "sputati fuori" di nuovo. Più è probabile, più fluttua il numero di fotoni. (Immagine: J. Schmitt, Università di Bonn)

“Super fotoni” composti da migliaia di particelle di luce

I condensati di Bose-Einstein sono forme esotiche di materia che possono sorgere a causa di un effetto quantomeccanico: in determinate condizioni, le particelle, siano esse atomi, molecole o persino fotoni (particelle che costituiscono la luce), diventano indistinguibili. Molte centinaia o migliaia di essi si fondono in un'unica "super particella": il condensato di Bose-Einstein (BEC). In un liquido a temperatura finita, le molecole si muovono avanti e indietro a caso. Più caldo è il liquido, più pronunciate sono queste fluttuazioni termiche. Anche i condensati di Bose-Einstein possono fluttuare: il numero di particelle condensate varia. E questa fluttuazione aumenta anche con l'aumento della temperatura. "Se il teorema di fluttuazione-dissipazione si applica ai BEC, maggiore è la fluttuazione nel loro numero di particelle, più sensibilmente dovrebbero rispondere a una perturbazione esterna", sottolinea Schmitt. “Sfortunatamente, il numero di fluttuazioni nei BEC solitamente studiati nei gas atomici ultrafreddi è troppo piccolo per testare questa relazione”. Tuttavia, il gruppo di ricerca del Prof. Dr. Martin Weitz, all'interno del quale Schmitt è un capogruppo di ricerca junior, lavora con condensati di Bose-Einstein fatti di fotoni. E per questo sistema, la limitazione non si applica. "Facciamo interagire i fotoni nei nostri BEC con le molecole di colorante", spiega il fisico, che ha recentemente vinto un premio di alto livello per giovani scienziati dell'Unione europea, noto come ERC Starting Grant. Quando i fotoni interagiscono con le molecole coloranti, accade spesso che una molecola “ingoia” un fotone. Il colorante diventa così energeticamente eccitato. Successivamente può rilasciare questa energia di eccitazione "sputando fuori" un fotone.

I fotoni a bassa energia vengono inghiottiti meno spesso

"A causa del contatto con le molecole del colorante, il numero di fotoni nei nostri BEC mostra grandi fluttuazioni statistiche", afferma il fisico. Inoltre, i ricercatori possono controllare con precisione la forza di questa variazione: nell'esperimento, i fotoni sono intrappolati tra due specchi, dove vengono riflessi avanti e indietro come in un gioco di ping-pong. La distanza tra gli specchi può essere variata. Più grande diventa, minore è l'energia dei fotoni. Poiché i fotoni a bassa energia hanno meno probabilità di eccitare una molecola di colorante (quindi vengono ingeriti meno spesso), il numero di particelle di luce condensata ora fluttua molto meno. I fisici di Bonn hanno ora indagato su come l'entità della fluttuazione sia correlata alla "risposta" del BEC. Se vale il teorema di fluttuazione-dissipazione, questa sensibilità dovrebbe diminuire al diminuire della fluttuazione. "In effetti, siamo stati in grado di confermare questo effetto nei nostri esperimenti", sottolinea Schmitt, che è anche membro dell'Area di ricerca transdisciplinare (TRA) "Matter" presso l'Università di Bonn e del Cluster of Excellence "ML4Q - Matter and Luce per il calcolo quantistico. Come per i liquidi, ora è possibile dedurre le proprietà microscopiche dei condensati di Bose-Einstein da parametri di risposta macroscopici che possono essere misurati più facilmente. «Questo apre la strada a nuove applicazioni, come la determinazione precisa della temperatura in complessi sistemi fotonici», afferma Schmitt.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php