In un esperimento all’Istituto nazionale di ottica del Cnr è stata esplorata, per la prima volta in un
gas atomico di fermioni ultrafreddi, la connessione fondamentale tra la supercorrente che
attraversa una sottile barriera isolante per effetto tunnel quantistico e la fase della funzione d’;onda
di un superfluido. Le misure hanno permesso di svelare alcune delle proprietà fondamentali
rimaste finora sconosciute a causa delle forti correlazioni quantistiche tra le particelle.I risultati
della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science
Come insegna l’esperienza quotidiana, un fluido non può passare da un recipiente ad un altro
attraversando la parete frapposta ai due. Sorprendentemente, tuttavia, la meccanica quantistica lo
consente, a condizione però che la parete tra i due contenitori sia sufficientemente sottile. L'effetto
tunnel quantistico permette infatti alle particelle di fluire tra due contenitori, persino in assenza di
resistenza nel caso dei superfluidi, stati della materia capaci di scorrere senza dissipare energia.
In un articolo apparso sulla rivista Science, un gruppo di ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica
del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino) e del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-
lineari (LENS) di Sesto Fiorentino, guidati da Giacomo Roati e Francesco Scazza, hanno osservato
l’insorgere di correnti senza resistenza tra due gas di Fermi nella fase superfluida, separati da una
sottile parete creata tramite luce laser.
“Queste supercorrenti atomiche scorrono attraverso la parete sostenute solamente dalla differenza di
fase relativa tra le funzioni d’onda quantistiche dei due gas superfluidi. Il fenomeno è noto come
effetto Josephson-dc ed è una delle manifestazioni più paradigmatiche della coerenza di fase
quantistica a livello macroscopico. È estremamente importante anche per le sue applicazioni: è
infatti alla base del funzionamento di molti moderni dispositivi interferometrici, che utilizzano
giunzioni tra metalli superconduttori”, afferma Giacomo Roati del Cnr-Ino. “Mentre la resistenza
nei metalli ordinari rende la corrente di elettroni proporzionale al voltaggio applicato, definendo la
relazione nota come Legge di Ohm, la supercorrente scorre senza resistenza come conseguenza
della coerenza di fase dello stato superfluido, nel quale le particelle si muovono all’unisono,
condividendo la stessa funzione d’onda macroscopica. In questo caso, la corrente ha una
dipendenza sinusoidale dalla differenza di fase tra i due superfluidi, che rappresenta quindi un
analogo quantistico del voltaggio”.
Questo sorprendente fenomeno fu predetto dal fisico britannico Brian Josephson nel 1962 e gli
valse il premio Nobel per la Fisica nel 1973. Come sostenne lo scienziato americano Phil Anderson,
l’effetto Josephson rappresenta lo strumento per antonomasia per estrarre informazioni essenziali
sulla natura della funzione d’onda quantistica (il cosiddetto parametro d’ordine), che descrive ogni
stato superfluido. “Nel nostro esperimento, creiamo gas atomici superfluidi che hanno la caratteristica eccezionale di presentare forti correlazioni quantistiche tra le particelle”, commenta
Francesco Scazza del Cnr-Ino. “Iniettando una corrente atomica controllata attraverso una barriera
di luce posta nel gas, misuriamo il valore massimo per cui la resistenza è nulla, ricavando una delle
proprietà fondamentali dello stato superfluido gas, ossia il numero di atomi che occupano lo stato
quantistico fondamentale. Questa caratteristica, detta frazione condensata, era finora rimasta
inaccessibile proprio a causa delle forti correlazioni tra gli atomi”.
“La comprensione ed il controllo dei fenomeni di coerenza quantistica nel trasporto di carica ed
energia costituiscono una delle importanti sfide per le moderne scienze, e possono essere
considerate la spina dorsale della nuova era delle tecnologie quantistiche. Il nostro lavoro è un
importante esempio di come gli studi sui campioni atomici ultrafreddi possano contribuire alla
comprensione dei meccanismi più elementari del trasporto quantistico, con dirette analogie ai
sistemi elettronici”, conclude Roati.
Roma, 27 luglio 2020
