Esperimenti

Gas quantistico degenere di atomi di disprosio

Le interazioni a lungo raggio, come quella Coulombiana fra elettroni o quella dipolare magnetica fra atomi dotati di spin elettronico, governa spesso il comportamento di molti sistemi fisici. In questo progetto, frutto di una collaborazione tra CNR-INO (sede di Pisa) e il LENS, utilizziamo un simulatore quantistico di atomi di disprosio, per esplorare la fisica derivante dalle interazioni dipolari a lungo raggio. Contrariamente agli atomi alcalini, comunemente impiegati negli esperimenti di atomi freddi, il Disprosio ha un momento di dipolo magnetico nello stato fondamentale pari a 10 magnetoni di Bohr, che è il più grande fra gli elementi naturali. Pertanto gli atomi di disprosio, oltre a interagire tramite l’interazione di van der Waals, che è un’interazione di contatto e quindi isotropa, interagiscono tramite la forza dipolo-dipolo, a lungo raggio e anisotropa. La combinazione di questi due ingredienti porta alla comparsa di particolari fenomeni quantistici, che stiamo attualmente studiando nel Dy Lab.

Finora abbiamo ottenuto i seguenti risultati:
Nel luglio 2016 abbiamo osservato e caratterizzato la trappola magneto-ottica di Dy-162 [1].
Nel novembre 2017, abbiamo ottenuto il nostro primo condensato di Bose-Einstein (BEC) di Dy-162 e ne abbiamo studiato le proprietà di scattering [2].
Nel 2018, abbiamo scoperto una nuova fase quantistica indotta dalle interazioni dipolare in un gas quantistico: il supersolido. La supersolidità è una fase paradossale della materia che combina le proprietà apparentemente incompatibili dei cristalli e dei superfluidi. Dal 2018 stiamo studiando le proprietà dei supersolidi dipolari.
Nella pubblicazione [3], abbiamo riportato la prima osservazione di un nuovo regime che presenta proprietà supersolide, a causa della coesistenza di una modulazione di densità periodica e di coerenza di fase. In un’analisi congiunta sperimentale e teorica (con l’Università di Hannover), abbiamo determinato il regime di parametri per la formazione di gocce coerenti, la cui vita media, pari ad alcune decine di millisecondi, è limitata da processi di perdite a tre corpi.
Nella pubblicazione [4], abbiamo studiato le proprietà di eccitazione del supersolido. In un supersolido monodimensionale esistono due caratteristiche eccitazioni gapless, ovvero due modi di Goldstone associati alla rottura spontanea di due simmetrie continue: la rottura dell’invarianza di fase, all’origine della superfluidità, e la rottura dell’invarianza traslazionale dovuta all’emergere della struttura reticolare. Nel sistema sperimentale, per sua natura intrappolato, la rottura di simmetria origina due distinti modi compressionali, che riflettono i modi di Goldstone del sistema omogeneo. In collaborazione con il gruppo teorico dell’Università di Trento, abbiamo osservato che i due modi d’eccitazione del supersolido hanno nature diverse: il modo di frequenza superiore è associato a un’oscillazione della periodicità del reticolo, quello con frequenza inferiore caratterizza l’oscillazione del superfluido. Il nostro lavoro apre la strada all’esplorazione delle due transizioni di fase quantistiche tra le configurazioni superfluida, supersolida e cristallina a cui è possibile accedere modificando un singolo parametro di interazione.
Attualmente stiamo studiando le proprietà superfluide di un supersolido dipolare, attraverso la misura del suo momento d’inerzia rotazionale, in analogia con alcuni esperimenti condotti originariamente sull’elio solido [5]. In particolare, studiamo un particolare modo di oscillazione rotazionale in un potenziale armonico, il cosiddetto modo di scissors, già impiegata per in superfluidi standard. Dalla misura del momento di inerzia, possiamo dedurre una frazione superfluida diversa da zero e dell’ordine di unità, fornendo una prova diretta della natura superfluida del supersolido dipolare.

[1] E. Lucioni, G. Masella, A. Fregosi, C. Gabbanini, S. Gozzini, A. Fioretti, L. Del Bino, J. Catani, G. Modugno, M. Inguscio, A new setup for experiments with ultracold dysprosium atoms, Eur. Phys. J. Sp. T. 226, 2775–2780 (2017).
[2] Lucioni E., Tanzi L., Fregosi A., Catani J., Gozzini S., Inguscio M., Fioretti A., Gabbanini C., Modugno G., Dysprosium dipolar Bose-Einstein condensate with broad Feshbach resonances, Phys. Rev. A 97, 060701(R) (2018).
[3] Tanzi L., Lucioni E., Famà F., Catani J., Fioretti F., Gabbanini C., Bisset R.N, Santos L. and Modugno G., Observation of a dipolar quantum gas with metastable supersolid properties, Phys. Rev. Lett. 122, 130405 (2019).
[4] Tanzi L., Roccuzzo S.M., Lucioni E., Famà F., Fioretti A., Gabbanini C., Modugno G., Recati A. and Stringari S., Supersolid symmetry breaking from compressional oscillations in a dipolar quantum gas, Nature 574, 382-385 (2019).
[5] Tanzi L., Maloberti J.G., Biagioni G., Fioretti A., Gabbanini C., and Modugno G., Evidence of superfluidity in a dipolar supersolid from non-classical rotational inertia, arXiv:1912.01910.

Osservazione sperimentale di un supersolido dipolare. In figura è rappresentata la distribuzione dei momenti per diversi tempi di evoluzione in tre regimi: BEC, supersolido e regime incoerente.

Alla transizione superfluido-supersolido il modo di breathing assiale si biforca in due rami: la frequenza più alta corrisponde all'oscillazione del cristallo, la più bassa è associata al flusso superfluido di atomi tra un due massimi di densità.