In un anello, superfluidi e superconduttori mostrano l’eccezionale proprietà di sostenere correnti prive di attrito, che fluiscono perpetuamente persino per diversi anni. I valori di tali correnti risultano quantizzati in multipli della costante di Planck, h. Questa è la dimostrazione lampante della coerenza quantistica che permea questi stati esotici della materia. Le correnti persistenti non sono solamente la cartina al tornasole del loro comportamento quantistico, ma sono anche la base di numerose applicazioni nell’ambito delle nuove tecnologie quantistiche, dalle misure di precisione, al loro impiego per lo sviluppo di computer quantistici super performanti.

Un gruppo di ricercatrici e ricercatori del Cnr Ino di Sesto Fiorentino coordinato da Giacomo Roati ha recentemente osservato l’insorgere di correnti persistenti in superfluidi composti da atomi ultrafreddi di 6Li intrappolati in potenziali ottici ad anello. In questo lavoro, diretto dalla giovane ricercatrice Giulia Del Pace, viene presentato un nuovo metodo per produrre correnti persistenti in modo efficace ed altamente controllabile nei gas atomici. Questo si basa sull’utilizzo di fasci laser che, illuminando il campione atomico per tempi brevissimi (milionesimi di secondo), permettono di manipolare la fase quantistica del gas superfluido, mettendolo quindi in rotazione. Il valore della corrente viene poi misurato facendo interferire il gas in cui scorre la corrente atomica con un secondo gas tenuto invece a riposo. Dalla caratteristica forma a spirale delle frange di interferenza, i ricercatori ottengono una misura del numero di avvolgimenti impressi nella funzione d’onda del superfluido, e quindi della magnitudine della corrente persistente.

Questo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review X, studia anche il decadimento delle correnti persistenti, indotto introducendo ad-hoc un ostacolo nell’anello, simulando in questo modo la presenza di impurezze negli anelli superconduttivi. In presenza dell’ostacolo, quando la corrente supera un valore critico, essa decade attraverso l’emissione di vortici quantistici. I vortici quantistici condividono la stessa natura topologica delle correnti persistenti, avendo anch’essi carica topologica proporzionale ad h. Ogni vortice emesso porta via quindi esattamente un avvolgimento dalla fase della funzione d’onda del superfluido, che alla fine del processo dissipativo scorre con una corrente inferiore.

Questo lavoro, e la tecnica in esso dimostrata, propone i superfluidi atomici fortemente interagenti come ottimi candidati per la realizzazione di circuiti atomici che possano affiancare quelli elettronici per applicazioni nelle future tecnologie quantistiche.

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