A prima vista, l’immagine di una “scala quantistica” può sembrare fantascienza. Tuttavia, questo è esattamente ciò che è riuscito a fare un team internazionale di ricercatori: osservare per la prima volta una struttura a gradini creata da atomi ultra-freddi in un sistema controllato in laboratorio. Non si tratta ovviamente di gradini fisici, ma di una serie di salti misurabili nel comportamento di un gas quantistico che si comporta come una versione atomica di un circuito elettronico. Questo fenomeno, noto come “gradini di Shapiro”, era già stato osservato in sistemi superconduttori, ma non era mai stato rilevato prima in un sistema formato da atomi ultra-freddi fortemente correlati. Il risultato, pubblicato sulla rivista Science e supportato da un esperimento estremamente preciso, apre una nuova strada per esplorare i fenomeni quantistici collettivi con una chiarezza senza precedenti. Come indicano gli autori dello studio, questa osservazione rappresenta un importante passo avanti nel controllo e nella comprensione dei sistemi quantistici complessi.
Un circuito quantistico fatto di atomi
L’esperimento si basa su un concetto chiave della fisica quantistica: la giunzione di Josephson, un tipo di connessione tra due regioni superfluide separate da una sottile barriera che ha recentemente fatto notizia. Nei sistemi elettronici, queste giunzioni consentono il passaggio di corrente senza resistenza e il loro studio è stato fondamentale nello sviluppo di sensori quantistici e computer quantistici.
In questo caso, i ricercatori hanno creato una giunzione di Josephson atomica utilizzando gas di litio-6 a temperature vicine allo zero assoluto, confinati in una trappola ottica bidimensionale. Queste nubi atomiche sono state separate da una sottile barriera di luce laser, sulla quale è stata applicata una corrente alternata modulata con grande precisione.
La sorpresa è avvenuta osservando il flusso degli atomi: la differenza di potenziale chimico tra i due lati della giunzione non variava in modo continuo, ma in una serie di salti discreti e regolari. Questi salti sono l’equivalente atomico dei gradini di Shapiro, un effetto noto da decenni nella fisica dello stato solido, ma mai osservato prima in questo tipo di sistemi con atomi fortemente interagenti.
Come si costruisce una scala quantistica
Per comprendere il fenomeno, è utile pensare a come si genera l’effetto. La chiave sta nella sincronizzazione tra la fase quantistica relativa dei due lati della giunzione e la frequenza della corrente alternata applicata. In condizioni specifiche, questa sincronizzazione genera un modello ripetitivo e quantizzato, in cui la differenza di fase viene bloccata a multipli interi del periodo del campo esterno.
“Abbiamo osservato plateau quantizzati nel rapporto corrente-potenziale, la cui altezza e larghezza riflettono la frequenza del campo applicato e la risposta non lineare della giunzione”, spiegano gli autori. Questo comportamento a gradini non è casuale, ma risponde direttamente a una frequenza esterna, come se gli atomi stessero “salendo” una scala invisibile costruita dal campo oscillante stesso.
Inoltre, i ricercatori hanno confermato che il numero e l’ampiezza dei gradini variavano a seconda dei parametri del sistema e che l’altezza di ciascun gradino coincideva con i valori teorici previsti dal modello di Josephson. Questa coincidenza offre una solida validazione sperimentale del fenomeno.
Un effetto quantistico con conseguenze visibili
Uno dei contributi più notevoli di questo lavoro è stato quello di ottenere una misurazione diretta della dinamica di fase a livello microscopico. Utilizzando tecniche di interferometria della materia, il team è stato in grado di visualizzare come evolve la fase relativa tra i due lati della giunzione nel tempo e come tale evoluzione si sincronizza con il segnale esterno.
Durante le misurazioni, è stato osservato qualcosa di ancora più affascinante: la comparsa periodica di coppie vortice-antivortice nel condensato, un fenomeno che riflette le perdite di fase (o phase slips) nel sistema. Queste formazioni, che possono essere visualizzate come “vortici” nel gas superfluido, appaiono in sincronia con i gradini di Shapiro, come manifestazioni fisiche del cambiamento di fase.
“Abbiamo rilevato processi periodici di salto di fase sotto forma di coppie vortice-antivortice”, sottolinea lo studio. “I nostri risultati dimostrano effetti di coerenza di fase e sincronizzazione in superfluidi fortemente correlati”, il che rende questo esperimento un punto di riferimento per future ricerche sulla dinamica quantistica fuori equilibrio.
Una piattaforma per esplorare la fisica del futuro
Questo esperimento non solo riproduce un fenomeno quantistico già noto in un altro contesto, ma apre la strada allo studio degli effetti di sincronizzazione, coerenza e trasporto in sistemi quantistici altamente controllati. Invece di dipendere da materiali solidi complessi, come i superconduttori convenzionali, i ricercatori possono ora utilizzare atomi freddi come piattaforma sperimentale, con una flessibilità e un controllo senza precedenti.
L’esperimento ha anche implicazioni per il campo emergente dell’atomtronica, una branca della fisica che cerca di costruire circuiti e dispositivi quantistici utilizzando atomi neutri invece di elettroni. Come sottolinea Luigi Amico, uno dei leader del progetto teorico, “questo è un grande passo avanti per l’atomtronica” e dimostra che queste piattaforme possono emulare fenomeni elettronici complessi con un livello di dettaglio impossibile in altri ambienti.
Inoltre, i risultati potrebbero ispirare nuove tecniche per misurare con precisione le differenze di potenziale chimico, particolarmente utili nei gas superfluidi dove l’equazione di stato è difficile da modellare. Ciò rende le “scale quantistiche” uno strumento non solo concettuale, ma anche pratico per future applicazioni tecnologiche.
