Per la prima volta uno studio condotto da ricercatori del Cnr-Ino ha permesso di svelare la struttura nascosta dei gas di Fermi atomici ultrafreddi grazie a una tecnica basata sull’effetto Doppler di onde sonore, lo stesso delle sirene bitonali dell’ambulanza. L’esperimento, svolto presso il LENS di Sesto Fiorentino, ha coinvolto anche ricercatori delle Università di Firenze, Trieste e Trento.

Pubblicato sulla rivista Nature Physics, lo studio presenta una tecnica innovativa per indagare la materia quantistica sfruttando l’effetto Doppler, un fenomeno comune per cui quando la sirena di un’ambulanza si avvicina la percepiamo più acuta, più grave quando si allontana.

“Allo stesso modo, il suono che si propaga in un superfluido in rotazione cambia a seconda che si muova nella stessa direzione od opposta rispetto al superfluido”, spiegano Marcia Fròmeta Fernandez e Diego Hernandez-Rajkov, ricercatori Cnr-Ino e principali autori del lavoro. “Grazie a queste minuscole variazioni, il team è riuscito a svelare la struttura interna nei gas di Fermi superfluidi, sistemi costituiti da atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. In tali condizioni, le particelle di Fermi si accoppiano dando origine alla superfluidità, uno stato della materia in cui scompare l’attrito. Abbiamo creato un superfluido di Fermi a forma di anello, in cui onde sonore si propagano simultaneamente in direzioni opposte. Quando viene messo in rotazione, le onde sonore risentono in modo diverso del flusso, accumulando una piccolissima differenza di frequenza: l’effetto Doppler”, concludono i ricercatori.

“La nostra osservazione – aggiunge Giacomo Roati, dirigente di ricerca Cnr-Ino e responsabile del gruppo sperimentale – dimostra che il superfluido è costituito da fermioni che si accoppiano due a due, formando unità quantistiche composite di massa doppia, le cosiddette coppie di Cooper, analogamente a quanto avviene nei superconduttori”.

Il lavoro apre nuove prospettive per l’indagine dei meccanismi alla base della superfluidità e della superconduttività, offrendo nuovi strumenti per esplorare dinamiche della materia quantistica ancora misteriose e fondamentali per lo sviluppo delle moderne tecnologie quantistiche.

Un risultato che arriva in un anno particolarmente significativo: quello del centenario della formulazione della statistica ideata da Enrico Fermi nel 1926 sulle colline di Arcetri, presso l’Università di Firenze, per descrivere il comportamento di particelle come elettroni, protoni e neutroni.