Orologi atomici e comportamenti fermionici

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Impegnati nella costruzione di uno dei più accurati orologi atomici del mondo, un gruppo di ricercatori statunitensi ha scoperto che tra gli atomi utilizzati, quelli di stronzio-87, possono avvenire collisioni proibite.
La materia di cui siamo costituiti è materia di tipo fermionico, la stessa degli atomi di stronzio-87: per il principio di Pauli, i fermioni sono particelle che non possono avere la stessa energia e occupare lo stesso luogo nello spazio e nel medesimo tempo. In pratica i fermioni devono avere numeri quantici differenti: questo vuol dire che le collisioni tra fermioni, come quelle "artificiali" negli acceleratori di particelle (come l'LHC) o quelle naturali come i raggi cosmici che interagiscono con l'atmosfera terrestre, non possono avvenire quando i fermioni sono identici. A tutto questo si aggiunga il fatto che le collisioni perturbano i livelli degli atomi, quando le particelle che interagiscono sono atomi: tali tipi di fermioni, quindi, dovrebbero avere livelli energetici molto stabili.
Quest'ultima proprietà in particolare è stata utilizzata lo scorso anno da Jun Ye e colleghi presso il NIST e lo JILA, per costruire un orologio atomico basato su circa 2000 atomi di stronzio ultrafreddi intrappolati in un reticolo ottico di laser infrarossi sovrapposti. Gli atomi erano immersi nella luce di un laser posto alla frequenza corrispondente con la transizione atomica nello stronzio: le oscillazioni tra i livelli energetici, quindi, avvenivano proprio a quella frequenza e questo ha consentito ai ricercatori di realizzare un tic dell'orologio estremamente preciso.

Gli apparati di controllo dell'orologio hanno consentito ai ricercatori di misurare anche le più piccole interazioni, proprio grazie all'estrema precisione dell'orologio, dell'ordine di una parte su 1016 (in pratica un secondo in più o in meno ogni 200 milioni di anni). In questo modo hanno misurato lo spostamento in frequenza come funzione della temperatura, la probabilità di eccitazione e l'allineamento del fascio laser di prova per comprendere l'origine di queste interazioni⁽¹⁾. Dai dati raccolti si è scoperto che quando l'interazione laser-atomo introduce un piccolissimo grado di disomogeneità, fermioni precedentemente indistinguibili diventano leggermente distiguibili: i fermioni non sono più identici e le collisioni diventano possibili.
Gretchen Campbell dello JILA spiega che all'inizio delle misure tutti gli atomi si trovano nello stesso stato atomico. Durante la transizione dallo stato stabile a quello eccitato, utilizzando impulsi laser, le interazioni luce-atomo non sono uniformi lungo tutto il campione atomico. Questo vuol dire che atomi differenti sono eccitati in maniera leggermente differente: quindi questi atomi non sono più identici.
La probabilità che avvenga una collisione atomica dipende da come gli atomi dell'insieme sono eccitati. Infatti il gruppo dello JILA ha determinato che quando gli atomi sono eccitati bruscamente a metà strada tra lo stato stabile e quello eccitato, le collisioni legate allo spostamento nella frequenza dell'orologio scendono a zero. La tecnica ha consentito al gruppo di dimostrare che l'accuratezza del loro orologio è di circa un secondo in più o in meno ogni 300 milioni di anni.

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(1) In pratica i finanziamenti per la ricerca sulle interazioni atomiche sono stati giustificati con la costruzione di un orologio atomico: l'applicazione tecnica che ha giustificato i finanziamenti ha consentito di fare della ricerca di base.

(da Physicists distinguish between the indistinguishable)