Miscele di fermioni con masse ineguali con interazioni risonanti a due e a tre corpi
Superfluidità e magnetismo caratterizzano una vasta gamma di sistemi composti da particelle fermioniche interagenti, che spaziano dalla fisica della materia condensata alla fisica nucleare e dei quarks.
Dall’interplay tra questi due fenomeni generali, sono state sollevate due domande di carattere fondamentale: è possibile avere accoppiamento superfluido in presenza di una asimmetria tra due superfici di Fermi? Può un sistema omogeneo di fermioni esibire una transizione di fase a uno stato ferromagnetico mediante una interazione repulsiva a corto raggio?
Nonostante decenni di studi interdisciplinari, ad oggi tali domande non hanno ancora trovato una risposta soddisfacente e definitiva.
In PoLiChroM mi prefiggo di rispondere sperimentalmente a tali fondamentali domande creando un nuovo sistema composto di una miscela ultrafredda di due atomi fermionici, il Litio e il Cromo, caratterizzati da interazioni risonanti controllabili. Le due specie atomiche simuleranno il comportamento di elettroni in differenti bande, o di quarks di diverso colore, sfruttando l’elevato grado di controllo tipico di un simulatore quantistico atomico.
In particolare due proprietà rendono il sistema da me scelto assolutamente impareggiabile rispetto ad altri simili, già attualmente a disposizione: il particolare rapporto di massa Cromo-Litio permette un controllo risonante delle interazioni elastiche a tre, oltre che a due, corpi, assieme a una straordinaria soppressione di ricombinazione inelastica di atomi in stati molecolari nel regime di forte repulsione interatomica Cromo-Litio.
La prima proprietà aumenta significativamente la possibilità di osservare regimi elusivi di superfluidità “polarizzata”, quali la fase di Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov, in cui le coppie condensano in stati di momento non zero, e la fase di Sarma, o di “breached pair” in cui un superfluido omogeneo coesiste con particelle fermioniche non accoppiate.
La seconda proprietà rende il sistema da me proposto un’eccellente piattaforma per la simulazione quantistica del modello di Stoner per descrivere il fenomeno del ferromagnetismo “itinerante”, il cui studio è ostacolato negli esperimenti attualmente esistenti dalla instabilità del sistema verso una fase accoppiata, che impedisce la creazione e lo sviluppo di domini magnetici.
In PoLiChroM utilizzerò tecniche di imaging ad alta risoluzione e schemi spettroscopici all’avanguardia per effettuare una caratterizzazione sistematica dei diagrammi di fase di miscele Fermi-Fermi con interazioni attrattive e repulsive.