Una tecnica ispirata all’effetto Doppler delle sirene svela la struttura nascosta della materia quantistica e apre nuove prospettive per le tecnologie del futuro
Per la prima volta è stato possibile “ascoltare” la struttura interna di un gas di Fermi superfluido, uno dei sistemi più complessi della fisica quantistica. Il risultato, ottenuto da un gruppo di ricercatori del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare (LENS), dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR (CNR-INO) e delle Università di Firenze, Trieste e Trento, rappresenta un importante passo avanti nella comprensione della materia quantistica ed è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Physics.
La ricerca introduce una metodologia completamente nuova che sfrutta la propagazione delle onde sonore e l’effetto Doppler – lo stesso fenomeno che modifica il suono della sirena di un’ambulanza quando passa accanto a noi – per investigare il comportamento della materia raffreddata a temperature prossime allo zero assoluto.
Come una sirena ha ispirato una nuova tecnica per studiare la materia quantistica
L’effetto Doppler è un fenomeno familiare nella vita quotidiana: il suono di una sirena appare più acuto quando si avvicina e più grave quando si allontana. I ricercatori hanno applicato lo stesso principio ai gas di Fermi superfluidi, osservando come il suono si propaghi in maniera differente all’interno di un fluido quantistico in rotazione.
Marcia Fròmeta Fernandez e Diego Hernandez-Rajkov, ricercatori del CNR-INO e primi autori dello studio, spiegano che il team ha realizzato un superfluido di Fermi con geometria ad anello nel quale onde sonore percorrono simultaneamente il sistema in direzioni opposte. Quando il superfluido viene messo in rotazione, le onde accumulano una minuscola differenza di frequenza dovuta proprio all’effetto Doppler.
Questa differenza, quasi impercettibile, contiene informazioni preziose sulla struttura interna della materia quantistica.
Scoperta la natura quantizzata della circolazione del superfluido
Misurando con estrema precisione queste variazioni di frequenza, gli scienziati hanno osservato un fenomeno fondamentale della meccanica quantistica: la circolazione del superfluido non può assumere valori continui, ma soltanto valori discreti, cioè quantizzati.
Secondo Francesco Scazza, docente di Fisica della Materia all’Università di Trieste, i valori osservati risultano dimezzati rispetto a quelli previsti per particelle isolate. Questo comportamento costituisce una prova diretta che i fermioni non si muovono individualmente, ma si accoppiano formando particelle composite.
Le coppie di Cooper spiegano la superfluidità
Il risultato offre una conferma sperimentale di uno dei principi fondamentali della fisica della materia condensata.
Come evidenzia Giacomo Roati, dirigente di ricerca del CNR-INO e responsabile del gruppo sperimentale, il superfluido è costituito da coppie di Cooper, ovvero coppie di fermioni che si comportano come un’unica entità quantistica avente massa doppia rispetto alle particelle originarie.
È lo stesso meccanismo fisico che rende possibile la superconduttività, fenomeno nel quale la corrente elettrica può fluire senza alcuna resistenza. Dimostrare che questo comportamento emerge anche nei gas atomici ultrafreddi rappresenta un’importante conferma delle teorie sviluppate negli ultimi decenni.
L’interferometria atomica apre una nuova finestra sulla fisica quantistica
Lo studio valorizza anche le enormi potenzialità dell’interferometria atomica, una delle tecnologie di misura più avanzate oggi disponibili.
In questo esperimento gli atomi non sono stati utilizzati direttamente come sonde, ma attraverso onde sonore che si propagano nel superfluido, trasformando il sistema stesso in un sofisticato interferometro capace di rilevare variazioni estremamente piccole.
Tra i primi risultati ottenuti figura anche l’osservazione della progressiva diminuzione della superfluidità all’aumentare della temperatura, fornendo un nuovo strumento per comprendere la transizione tra diversi stati quantistici della materia.
Una scoperta che guarda alle future tecnologie quantistiche
Secondo Massimo Inguscio del LENS e Sandro Stringari del Pitaevskii BEC Center dell’Università di Trento, questa tecnica inaugura una nuova fase nello studio dei sistemi quantistici fortemente correlati.
La possibilità di “ascoltare” la materia quantistica attraverso onde sonore consentirà infatti di approfondire fenomeni ancora poco compresi, come i meccanismi microscopici della superfluidità e della superconduttività, elementi chiave per lo sviluppo delle future tecnologie quantistiche, del quantum computing, dei sensori ultraprecisi e delle nuove piattaforme di simulazione quantistica.
Un omaggio al centenario della statistica di Enrico Fermi
La pubblicazione assume anche un forte valore simbolico. Arriva infatti nel 2026, anno che celebra il centenario della statistica di Enrico Fermi, formulata nel 1926 sulle colline di Arcetri, a Firenze.
Proprio quella teoria, nata per descrivere il comportamento di elettroni, protoni e neutroni, costituisce oggi il fondamento teorico dei gas di Fermi studiati nell’esperimento.
A cento anni di distanza, gli scienziati riescono così non solo a descrivere matematicamente questi sistemi, ma addirittura ad “ascoltarne” il comportamento interno, aprendo nuove prospettive per comprendere una delle forme più affascinanti e ancora misteriose della materia.
