Un esperimento ha osservato il fenomeno dell’isteresi, un particolare tipo di memoria dei materiali, in una nube di atomi mantenuta a una temperatura di poche frazioni di grado sopra lo zero assoluto e forzata a percorrere un cammino circolare. Il risultato è importante soprattutto per la realizzazione di dispositivi “atomtronici”, in cui gli atomi giocano il ruolo degli elettroni nei dispositivi elettronici
n molti ambiti della ricerca, dalla scienza dei materiali ai processi biologici, i sistemi studiati manifestano il fenomeno dell’isteresi, cioè reagiscono in ritardo alle sollecitazioni esterne e in funzione dalla loro “storia”, vale a dire non solo in funzione dal loro stato attuale ma anche degli stati precedenti.
In un articolo pubblicato dalla rivista “Nature” Stephen Eckel e colleghi del Joint Quantum Institute in Gaithersburg, nel Maryland riportano di aver osservato l’isteresi in un flusso superfluido di un condensato di Bose-Einstein (BEC), una nube di atomi mantenuti a poche frazioni di grado sopra lo zero assoluto, costretto a circolare lungo un percorso ad anello.
Il risultato è importante sia in termini di conoscenze di base, perché fornisce una piattaforma per studiare in modo approfondito l’origine microscopica dell’isteresi e di altri fenomeni dissipativi in un condensato di Bose-Eisntein, ma anche perché è un passo importate verso lo sviluppo di dispositivi “atomtronici”, in cui gli atomi rivestono il ruolo che hanno gli elettroni nei dispositivi elettronici.
In generale, i sistemi che mostrano isteresi sono formati da molte particelle interagenti, i cui singoli stati sono descritti da equazioni reversibili nel tempo, ma la loro interazione collettiva fa sì che il sistema nel suo complesso non abbia più questa proprietà. L’esempio classico di questo comportamento è dato dai materiali ferromagnetici: i momenti di dipolo magnetico dei singoli atomi hanno una direzione che dipende solo dal campo magnetico applicato in un dato istante, ma complessivamente il materiale mantiene una sua magnetizzazione macroscopica anche quando il campo esterno torna a essere nullo.
La complessa interazione tra singoli costituenti microscopici e comportamento collettivo macroscopico è una peculiarità anche dei BEC, insiemi di di particelle o atomi a spin intero che, mantenute a poche frazioni di grado sopra lo zero assoluto, si comportano come se fossero un “superatomo”, con un’unica funzione d’onda quantistica condivisa da tutte le particelle che lo costituiscono.
Uno dei comportamenti caratteristici dei BEC è la superfluidità, cioè la capacità di scorrere senza attrito. La superfluidità mostra un comportamento peculiare quando un condensato di Bose-Einstein è costretto a scorrere in un contenitore toroidale, cioè all’interno di una forma a ciambella. In queste condizioni, la velocità della circolazione è quantizzata, cioè può assumere solo valori discreti, multipli interi di un valore minimo.
Eckel e colleghi studiano da anni i BEC posti in queste “trappole” anulari, e in particolare il decadimento di un flusso persistente quando si introduce un ostacolo, per esempio un passaggio obbligato più stretto oppure un agitatore a forma di paletta (stirrer), che già in passato aveva dimostrato di poter indurre una transizione nel condensato, facendolo passare da uno stato di quiete (circolazione assente) a uno stato con uno o più quanti di circolazione.
In quest’ultimo studio, gli autori hanno fatto circolare a velocità costante l’agitatore all’interno del condensato di Bose-Einstein, che inizialmente era in quiete. Dopo due secondi, l’agitatore veniva tolto per osservare l’effetto: si è così constatato che, per una velocità al di sotto di un valore di soglia, il superfluido “si dimentica” dell’agitatore, rimanendo in quiete. Oltre quel valore, invece, il fluido va incontro a una transizione e acquista un quanto di circolazione.
In una seconda fase della sperimentazione, gli autori hanno effettuato l’esperimento al contrario, partendo cioè dal superfluido in rotazione, e hanno riattivato l’agitatore con le stesse velocità e direzione del caso precedente. In questa fase però l’agitatore si muoveva più lentamente del superfluido, e gli autori sono andati alla ricerca della velocità dell’agitatore che riportasse il condensato di Bose-EInstein allo stato di quiete.
Risultato: la velocità cercata è più bassa rispetto a quella richiesta per mettere in moto il condensato di Bose-Einstein dalla condizione iniziale di quiete. Questa asimmetria è un esempio di isteresi.
La scoperta è interessante perché il sistema utilizzato è l’analogo atomtronico di un dispositivo elettronico denominato SQUID, che mostra anch’esso isteresi, e che viene usato per rilevare la presenza di campi magnetici estremamente deboli. Inoltre, il comportamento osservato è una sfida anche dal punto di vista teorico, perché nessun modello è finora in grado di prevedere i valori di velocità dell’agitatore in grado di produrre il fenomeno di isteresi.
