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L’osservazione diretta del principio di Pauli

Rendering artistico dell’esperimento condotto dai ricercatori. In futuro, hanno in programma di estendere i loro metodi di imaging e analisi ai sistemi interagenti, per studiare l’accoppiamento e la superfluidità in sistemi di Fermi mesoscopici fortemente correlati. Crediti: Jonas Ahlstedt, Lund Bioimaging Center (LIBC).

Il principio di esclusione di Pauli è una legge della meccanica quantistica introdotta dal fisico austriaco Wolfgang Pauli, che offre preziose informazioni sulla struttura della materia. Più specificamente, il principio di Pauli afferma che due o più fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantistico all’interno di un sistema quantistico.

I ricercatori dell’Istituto di fisica dell’Università di Heidelberg hanno recentemente osservato questo principio direttamente in un sistema continuo composto da un massimo di sei particelle. Il loro esperimento, delineato in un articolo pubblicato su Physical Review Letters , potrebbe aprire la strada verso una migliore comprensione dei sistemi fortemente interagenti composti da fermioni.

“La visione di studiare sistemi complessi a molti corpi partendo da elementi costitutivi piccoli e ben compresi ha una lunga storia nel nostro gruppo”, hanno detto Luca Bayha e Marvin Holten, due dei ricercatori che hanno condotto il recente studio e-mail. “Questo è iniziato con esperimenti in cui abbiamo formato un mare di fermi un atomo alla volta, culminando in uno dei nostri ultimi studi in cui abbiamo potuto osservare i segni di una transizione di fase quantistica in sistemi di appena sei atomi “.

Negli ultimi anni, Bayha, Holten ei loro colleghi hanno profuso molti sforzi nello sviluppo di una nuova tecnica che consenta loro di visualizzare singoli atomi in sistemi mesoscopici, al fine di esaminarli in modo più dettagliato. Nel loro recente studio, hanno applicato per la prima volta questa tecnica a sistemi continui fino a sei atomi fermionici non interagenti.

Il cristallo di Pauli mostra in quale configurazione tre atomi fermionici si allineano più frequentemente in una trappola armonica bidimensionale. Le forti correlazioni tra le posizioni relative delle particelle non interagenti sono il risultato del principio di esclusione di Pauli. L’immagine è stata creata analizzando diverse migliaia di immagini sperimentali con risoluzione a singolo atomo. Crediti: Selim Jochim Group, University Heidelberg.

“L’obiettivo principale del nostro studio era osservare le correlazioni di ordine superiore in un sistema continuo”, hanno detto Bayha e Holten. “Il sistema non interagente funge da punto di partenza ideale per confrontare il nostro esperimento”.

Nel 2016, un gruppo di ricerca guidato da Mariusz Gajda ha proposto per la prima volta che le correlazioni di ordine superiore potessero essere visualizzate come “cristalli di Pauli”. I cristalli di Pauli sono bellissimi modelli che possono emergere in una nuvola di fermioni intrappolati e non interagenti.

Finora, Bayha, Holten e i loro colleghi hanno osservato questi modelli in sistemi contenenti fino a sei particelle. Nel prossimo futuro, tuttavia, sperano di condurre ulteriori esperimenti con più particelle e forti interazioni. Ciò consentirebbe loro di esaminare ulteriormente l’accoppiamento e la superfluidità nei sistemi 2-D.

“L’osservazione diretta del principio di Pauli in sistemi continui impone requisiti piuttosto impegnativi all’esperimento”, hanno spiegato Bayha e Holten. “Il sistema deve essere sufficientemente freddo e controllato su scale di energia assoluta molto basse. Solo allora, le funzioni d’onda delle singole particelle si sovrappongono e la loro natura fermionica diventa importante”.

Il cristallo di Pauli mostra in quale configurazione sei atomi fermionici si allineano più frequentemente in una trappola armonica bidimensionale. Le forti correlazioni tra le posizioni relative delle particelle non interagenti sono il risultato del principio di esclusione di Pauli. L’immagine è stata creata analizzando diverse migliaia di immagini sperimentali con risoluzione di un singolo atomo. Crediti: Selim Jochim Group, University Heidelberg.

Per garantire che potessero osservare direttamente il principio di Pauli nei sistemi continui, i ricercatori hanno perfezionato una tecnica di raffreddamento che hanno sperimentato alcuni anni fa. Questa tecnica consente la rimozione di tutti gli atomi “caldi” con energie più elevate da un sistema in modo deterministico. Rimuovendo questi atomi, i ricercatori sono stati in grado di preparare lo stato fondamentale del sistema (cioè l’energia più bassa) con alti livelli di fedeltà.

Dopo aver raffreddato abbastanza un sistema, Bayha, Holten ei loro colleghi avevano bisogno di raccogliere osservazioni con una risoluzione di un singolo atomo e un’elevata fedeltà di rilevamento, per osservare il principio di Pauli. Hanno ottenuto questo risultato lasciando che la nuvola di atomi si espandesse per un dato tempo prima di scattare un’immagine.

Rendering del setup sperimentale (non in scala). Gli atomi sono intrappolati in un unico punto di un attraente foglio leggero (“pancake”) sovrapposto a una pinzetta ottica ben focalizzata. Il sistema viene ripreso con una risoluzione di un singolo atomo attraverso un obiettivo ad alta risoluzione (in alto). Crediti: Selim Jochim Group, University Heidelberg.

“Il metodo che abbiamo utilizzato ingrandisce efficacemente il sistema di un fattore 50”, hanno detto Bayha e Holten. “Quindi illuminiamo la nuvola con due raggi laser opposti e raccogliamo fotoni sparsi su una fotocamera estremamente sensibile che rileva quasi ogni singolo fotone che colpisce il chip. Insieme, questi metodi ci consentono di risolvere singoli atomi con probabilità di rilevamento dell’ordine del 99%. “

Le osservazioni raccolte da questo team di ricercatori dimostrano che la correlazione tra le singole particelle può essere osservata anche nei sistemi continui, in cui le funzioni d’onda delle singole particelle si sovrappongono. Finora, Bayha, Holten ei loro colleghi hanno utilizzato la tecnica che hanno sviluppato per osservare i cristalli di Pauli, che sono bellissime visualizzazioni del principio di Pauli. Tuttavia, la stessa tecnica potrebbe presto essere utilizzata anche per esplorare altri sistemi a molti corpi fortemente correlati.

Immagine singola di sei atomi fermionici confinati in una trappola dell’oscillatore armonico bidimensionale. L’immagine è stata scattata dopo un’espansione del sistema per aumentare la risoluzione effettiva. Crediti: Selim Jochim Group, University Heidelberg.

“Abbiamo ora in programma di estendere il metodo di imaging a sistemi interagenti”, hanno detto Holten e Bayha. “Qui, le correlazioni tra le particelle non sorgono a causa del principio di Pauli, ma sono dovute alle interazioni. Questo ci consentirà di sondare come le correlazioni nei sistemi interagenti sorgono a livello microscopico e fornire nuove informazioni sulla materia fermionica e sui superfluidi fortemente interagenti . “

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