Schiacciati dentro microscopici tubi unidimensionali, intrappolati da una ragnatela di laser e congelati a temperature appena superiori allo zero assoluto, circa 70.000 atomi di cesio hanno smesso di comportarsi secondo le regole della fisica classica. Hanns-Christoph Nägerl, fisico quantistico sperimentale dell’Università di Innsbruck, ha guidato un’operazione di manipolazione atomica estrema che ha portato alla nascita di una nuova, esotica fase della materia: il “mare di Fermi frazionario“.
Il punto di partenza è stato un gas di Bose ultrafreddo portatato a pochi nanoKelvin, una condizione in cui gli atomi perdono la propria identità per fondersi in un’unica entità collettiva indifferenziata.
In natura, le particelle fondamentali si dividono in due rigidi raggruppamenti: i bosoni (come i fotoni), capaci di accumularsi illimitatamente nello stesso stato quantistico sovrapponendosi come onde, e i fermioni (come gli elettroni), soggetti al principio di esclusione di Pauli, che ne vieta l’occupazione simultanea dello stesso spazio energetico e li costringe a impilarsi ordinatamente. Sottoponendo il gas a continui e ripetuti cicli di interazione — alternando impulsi in cui gli atomi si respingevano violentemente a fasi in cui si attirano — il team austriaco, supportato dai modelli teorici di Alvise Bastianello del CNRS e dell’Université Paris-Dauphine, ha spezzato questa dicotomia. Invece di surriscaldare o disperdere il sistema nel caos, questo parossismo di forze contrapposte ha riorganizzato la materia in uno stato altamente eccitato ma non casuale, un ibrido in cui gli stati quantistici risultano parzialmente occupati.
Le oscillazioni di Friedel rilevate nel reticolo ottico bidimensionale hanno confermato l’esistenza del mare frazionario, spingendo Nägerl a ipotizzare la presenza di quasi-particelle mai osservate prima, battezzate provvisoriamente “super-fermioni”.
“Questo stato possiede un ordine nascosto che diventa visibile solo nelle sue correlazioni”, spiega Yi Zeng, primo autore dello studio. L’esperimento dimostra che la simulazione quantistica può spingersi oltre la semplice riproduzione dei modelli teorici esistenti, creando attivamente configurazioni della materia che scardinano i paradigmi fisici tradizionali. I risvolti applicativi di questo ordine artificiale promettono di ridefinire la precisione dei sensori quantistici e di potenziare l’elaborazione dei dati nei sistemi di crittografia, offrendo una via per blindare la trasmissione di informazioni sensibili.
In parole povere, gli scienziati hanno preso un gruppo di atomi, li hanno congelati quasi al massimo possibile e li hanno costretti a oscillare continuamente tra il respingersi e l’attrarsi dentro un labirinto di luce. Invece di generare confusione, questo trattamento ha costretto le particelle a disporsi in un modo del tutto nuovo e ordinato, creando una forma di materia che non esiste in natura e che potrebbe aiutare a costruire i computer e i sistemi di sicurezza del futuro.