Create onde di materia stabili, osservati i primi solitoni in un reticolo ottico "a fisarmonica". Un team di ricerca internazionale, guidato dall'Università di Strathclyde e con il contributo teorico dell'Università di Padova, ha dimostrato sperimentalmente la creazione di solitoni di onde di materia in un reticolo ottico. Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, utilizza un innovativo reticolo "a fisarmonica" per intrappolare atomi di Cesio, confermando previsioni teoriche fondamentali sulla stabilità dei pacchetti d'onda in sistemi periodici.

Cosa sono i Solitoni

In fisica ondulatoria, la maggior parte delle onde tende a disperdersi durante la propagazione: l'ampiezza diminuisce e il pacchetto d'onda si allarga nello spazio. Un solitone, al contrario, è un pacchetto d'onda solitario che mantiene inalterata la sua forma e la sua velocità mentre viaggia. Questo fenomeno avviene grazie a un delicato bilanciamento tra due effetti opposti: la dispersione (che tende ad allargare l'onda) e la non-linearità del mezzo (che tende a concentrarla). In ambito quantistico, i solitoni di onde di materia rappresentano stati in cui gli atomi si comportano collettivamente come una singola entità stabile, senza diffondersi come farebbe una normale nube di gas.

La configurazione sperimentale

L'esperimento si basa su un condensato di Bose-Einstein (BEC) composto da atomi di Cesio-133. La particolarità di questo studio risiede nell'utilizzo di un "reticolo ottico a fisarmonica" (optical accordion lattice). A differenza dei reticoli ottici tradizionali che hanno una spaziatura fissa, questa configurazione permette di variare dinamicamente la periodicità del potenziale di intrappolamento in tempo reale. Questa flessibilità è stata cruciale per manipolare la densità degli atomi e le loro interazioni nello spazio.

La genesi dei solitoni

Per generare i solitoni, i ricercatori hanno sfruttato il controllo delle interazioni atomiche tramite la risonanza di Feshbach. Hanno sottoposto il condensato a un cambiamento repentino (quench) della lunghezza di scattering, rendendo le interazioni tra gli atomi attrattive. Contemporaneamente, hanno regolato la profondità del reticolo ottico. Questa combinazione di interazione attrattiva e potenziale periodico ha creato le condizioni ideali per la formazione di pacchetti d'onda auto-intrappolati.

Le due tipologie osservate

Uno dei risultati più rilevanti dello studio è stata l'osservazione distinta di due classi di solitoni, previste dall'equazione di Gross-Pitaevskii ma difficili da isolare sperimentalmente:

- Solitoni a singolo sito (Single-site): In questo scenario, il pacchetto d'onda è estremamente localizzato e confinato quasi interamente all'interno di un singolo minimo del potenziale (un singolo "buco" del reticolo). La densità atomica è così alta che le interazioni non-lineari dominano completamente, mantenendo gli atomi strettamente uniti. - Solitoni multisito (Multisite): Questi solitoni si estendono su più siti adiacenti del reticolo. Nonostante la loro maggiore estensione spaziale, mantengono la coerenza di fase e la stabilità strutturale tipica dei solitoni, comportandosi come un oggetto unico che "abbraccia" diverse celle del reticolo. Implicazioni per la fisica quantistica

La dimostrazione sperimentale di questi stati in un reticolo a geometria variabile fornisce una nuova piattaforma per lo studio della dinamica non lineare. La capacità di trasportare pacchetti di materia coerente senza dispersione è di estremo interesse per lo sviluppo di tecnologie quantistiche, inclusi i sensori inerziali di precisione e il trasporto di informazioni quantistiche (qubit) su distanze macroscopiche all'interno di chip atomici.

Riferimento: L'articolo originale è disponibile su Physical Review Letters: Experimental Observation of Single- and Multisite Matter-Wave Solitons in an Optical Accordion Lattice.