Piegare il moto degli atomi con la luce laser, lo studio dell'Università di Firenze

Un team di ricercatori dell’Università di Firenze, guidati da Leonardo Fallani del Dipartimento di Fisica e Astronomia, ha ricreato in laboratorio un sistema che ha permesso di “vedere” per la prima volta come la corrente viene piegata dal campo magnetico, in un regime di forte interazione tra le cariche mai studiato in precedenza.

I risultati dell’esperimento, realizzato nell’ambito del progetto di ricerca ERC Consolidator Grant TOPSIM di cui Fallani è responsabile scientifico, sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Science: all’esperimento, svolto nei laboratori del Dipartimento in collaborazione con il Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare (LENS), hanno partecipato anche ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche e degli atenei di Ginevra e Grenoble [“Observation of universal Hall response in strongly interacting Fermions” science.org/doi/10.1126/science.add1969].

Il sistema sperimentale realizzato a Firenze è un simulatore quantistico, cioè un computer quantistico “dedicato”, progettato con lo scopo di riprodurre l’effetto quantistico di interesse. I risultati sono estremamente promettenti per studiare l’origine microscopica della quantizzazione dell’effetto Hall, che – a 40 anni dalla sua scoperta – è ancora in cerca di un’interpretazione teorica completa.

L’effetto Hall è un fenomeno fisico in base al quale, quando una corrente elettrica scorre all’interno di un materiale in presenza di un campo magnetico, questa, invece che muoversi in linea retta, si “piega” e dà luogo a un accumulo di cariche elettriche ai bordi. Questo effetto è alla base di tecniche diffusissime per la caratterizzazione dei materiali ed è usato nei dispositivi più comuni per la misura di campi magnetici, come quelli che si trovano nei nostri telefonini.

Il team sperimentale, invece che lavorare con materiali convenzionali, è riuscito a ricreare in laboratorio un “prototipo” di materiale dove atomi neutri, raffreddati a pochi miliardesimi di gradi sopra lo zero assoluto, giocano il ruolo degli elettroni.

Manipolando gli atomi con luce laser, i ricercatori sono riusciti a fare in modo che questi si comportassero come particelle cariche in presenza di un campo magnetico “artificiale” e di osservare con precisione come le traiettorie atomiche venissero piegate dal campo magnetico. Per la prima volta l’effetto Hall è stato misurato al variare delle interazioni tra le particelle, confermando le previsioni teoriche di ricercatori delle Università di Ginevra e di Grenoble, guidati da Thierry Giamarchi e Michele Filippone, coinvolti nell’ideazione dell’esperimento e nell’interpretazione dei risultati.

Questa ricerca verrà portata avanti anche nell’ambito delle iniziative del PNRR dedicate allo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche – Fallani coordina la partecipazione di Unifi al nuovo partenariato esteso National Quantum Science and Technology Institute – e di importanti progetti europei della Quantum Flagship.