L’individualismo dei fermioni e i sistemi complessi

Il grafico mostra il primo rilevamento di un bosone Z al LHC di Ginevra. (Photocredit: CERN/LHC).

I fermioni, si sa, sono individualisti. Almeno così impone il principio di esclusione di Pauli. Ciò posto, capire il comportamento collettivo di queste particelle in contesti sperimentali che sfruttano i gas quantistici ultrafreddi, è di grande interesse per le connessioni che questo campo di studi ha con il comportamento di svariati sistemi complessi in natura. Si spazia dal comportamento umano, agli stormi di stormi di uccelli passando per il traffico, la formazione delle dune di sabbia e delle stelle di neutroni, fino alle proprietà magnetiche dei solidi fondamentali, la super-fluidità e la super-conduttività. In tutti questi casi e campi di studio il comportamento collettivo, esemplificato dal movimento sincrono dell’insieme delle particelle, svolge un ruolo cruciale nella comprensione delle parti come del sistema nel suo complesso.

Ora vi racconto la notizia; rimando ad un altro post una discussione delle implicazioni filosofiche ed epistemologiche dell’argomento, connesse soprattutto con il rapporto tutto-parti. Il sistema come totalità è riducibile alle parti e ai loro comportamenti? Il tutto è solo la somma delle parti oppure è qualcosa in più, un livello di organizzazione superiore? Dal momento che tra fermioni e bosoni esistono delle differenze qualitative, è senza dubbio problematica ed interessante l’analisi mereologica dei sistemi quantistici (per chi non lo sapesse, la mereologia è la scienza che studia i rapporti parte-tutto).

Ma veniamo a noi: in un recente studio coordinato dall’Istituto di Laser Physics dell’Università di Amburgo, in collaborazione con l’Istituto di Scienze Ftoniche (ICFO), i ricercatori hanno osservato per la prima volta la dinamica di spin collettivi di fermioni ultra-freddi analizzando le proprietà microscopiche delle particelle attraverso le loro collisioni locali. Si, lo so, sembra estremamente astruso e complicato, ma è un passo importante perché si è visto che, a temperature vicine allo zero assoluto, le proprietà individuali di ciascuna particella si “organizzavano” in squadre il cui comportamento era perfettamente coerente. Più in dettaglio, le particelle si comportano come un’unica individualità nello spazio di spin. Lo spin o momento angolare è una proprietà intrinseca delle particelle: in altre parole è una rotazione, anche se non è possibile dare una descrizione corretta facendo ricorso a immagini classiche.

Il super-comportamento della materia è, in realtà, una manifestazione sul piano macroscopico di proprietà e comportamenti già noti a livello microscopico. Nel dominio quantistico, infatti, le particelle si dividono in due gruppi principali: i bosoni (ad esempio fotoni) e i fermioni (che sono i costituenti della materia come elettroni, protoni e neutroni). La differenza tra queste particelle è fondamentalmente il loro spin: i bosoni hanno spin intero, mentre i fermioni hanno spin semi-intero. Vediamo di capirci: rispetto ai fermioni, i bosoni sono molto “socievoli” in quanto “si lasciano trascinare” dalla rotazione di spin. Il comportamento collettivo dei fermioni, invece, è diverso. Mentre i bosoni tendono per natura ad aggregarsi, al punto che la luce ci appare come una sorta di fluido continuo, i fermioni hanno una spiccata natura corpuscolare per cui a ciascuno stato corrisponde solo una particella.

Non solo: se un gas atomico viene raffreddato a temperature estremamente basse, i bosoni hanno la peculiarità di poter occupare lo stesso stato quantico in molti – in questo caso si ottiene il condensato di Bose-Einstein (BEC). Al contrario, i fermioni hanno la particolarità di avere una sola particella per singolo stato occupato, pena l’abbandono del principio di esclusione di Pauli (cosa che, ovviamente, non ha senso).

Per ottenere fermioni ultrafreddi, i ricercatori li hanno prima  intrappolati usando una luce laser puntata su una nuvola di gas composta da atomi di potassio. Hanno poi raffreddato la nube a temperature molto basse e preparato diverse miscele di spin in campi magnetici molto blandi, il che è necessario per osservare i cambiamenti nelle dinamiche di spin così indotte. Quando le particelle ad altissima energia collidono nelle interazioni locali, l’orientamento dello spin ne risente. Ma questo vale solo per le singole particelle: nel suo complesso il sistema si comporta in modo da non destabilizzare il gas attraverso una grande ampiezza di oscillazioni. Come se si attivasse una centrifuga di lunga durata.

Ovviamente una nube quantistica non è, strettamente parlando, un sistema complesso come potrebbe essere il moto di uno stormo di uccelli. Tuttavia i risultati ottenuti in questo studio fanno ben sperare che si possano trovare punti di contatto per elaborare una struttura esplicativa comune che abbia vari punti di contatto. I fermioni non sono così socievoli come i bosoni, tuttavia sono stati utili per mostrare che anche il comportamento collettivo è un fenomeno quantistico, e che è molto sensibile alle perturbazioni (l’effetto scompare completamente con un lievissimo cambiamento nella temperatura).

Insomma: i fermioni mantengono il loro “individualismo” ma, a temperature controllate, mostrano la capacità di comportarsi collettivamente per salvaguardare lo stato (e la sopravvivenza?) del sistema. Attraverso l’interazione controllata dei diversi processi fondamentali che stimolano o sopprimono il comportamento collettivo, gli scienziati stanno facendo progressi che non si limitano alla fisica delle particelle ma coinvolgono, in generale, il concetto stesso di comportamento di un sistema complesso, strutture topologiche e sistemi quantistici degeneri inclusi.

Paper di riferimento:

J. S. Krauser, et alii., Giant Spin Oscillations in an Ultracold Fermi Sea, in “Science” 10 (2014), Vol. 343 no.6167 pp. 157-160: DOI: 10.1126/science.1244059

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