Il supersolido, nuovo stato quantistico della materia

Un team di ricercatori del Cnr insieme all’Università di Firenze ha osservato nel laboratorio dell’Istituto nazionale di ottica di Pisa un nuovo stato della materia: il supersolido. Esso ha la struttura di un solido, le proprietà di un superfluido e si comporta secondo le leggi della meccanica quantistica. I ricercatori hanno tentato di osservare questo stato della materia fin dagli anni ‘60 e dopo aver provato con gli atomi di elio hanno iniziato a utilizzare i condensati di Bose-Einstein. È proprio attraverso l’utilizzo di quest’ultimo che hanno potuto osservare negli atomi di disprosio portati a temperature vicino allo zero assoluto (-273,15 °C) questo comportamento. Ma cerchiamo di comprendere meglio cosa sono questi concetti strani.

Nell’esperimento, l’evoluzione temporale (da sinistra a destra) della nuova fase con caratteristiche supersolide (riga centrale) appare tra un condensato di Bose-Einstein ordinario (riga in alto) e una già nota fase di gocce quantistiche disordinate (riga in basso) (fonte: le Scienze)

I bosoni

Il bosone è una particella che ha uno spin intero (0, 1, 2, …). Forma insieme ai fermioni le due classi fondamentali in cui si suddividono le particelle. Il fermione a sua volta è una particella con uno spin semintero (1/2, 3/2, 5/2,…). Un’altra cosa per cui si differiscono bosoni e fermioni consiste nel cosiddetto ‘Principio di esclusione di Pauli’. I fermioni sono particelle un po’ snob. Non vogliono essere uguali a nessun’altra particella, o almeno, non vogliono stare in una stessa stanza con altri fermioni uguali. Vogliono essere unici. Vogliono tutta l’attenzione verso di loro. Questo è quindi quello che afferma il principio: due fermioni uguali non possono occupare lo stesso stato quantico. C’è sempre una differenza fra due fermioni che occupano uno stesso stato. I bosoni sono, da questo punto di vista, più umili. Possono letteralmente affollare uno stesso stato quantico. Se ne fregano se sono tutti uguali fra di loro. Questa caratteristica dei bosoni è fondamentale per il condensato di Bose-Einstein. Un tipico esempio di bosoni sono i fotoni, ossia le particelle della luce. Un altro bosone importante è il famoso bosone di Higgs.

Le particelle del Modello Standard: i fermioni occupano le prime tre colonne mentre i bosoni l’ultima colonna (fonte Wikipedia)

Principio d’indeterminazione e la funzione d’onda

Una delle cose strane della fisica quantistica è il fatto che dice che le particelle sono contemporaneamente onda e corpuscolo. Tralasciando la discussione di questa caratteristica strana, partiamo col definire la funzione d’onda. Essa rappresenta lo stato di un sistema quantistico. Sostanzialmente è uno strumento matematico molto astratto che non ha nessun significato fisico. Tuttavia, se eleviamo al quadrato questa funzione d’onda, riusciamo a ricavare la probabilità che la particella si trovi in una specifica configurazione. Tenete bene in mente questo concetto che fra poco ci servirà. Infine parliamo del principio di indeterminazione di Heisenberg. In parole povere afferma che non possiamo sapere con molta precisione sia la posizione della particella sia la sua velocità. Se vogliamo capire dov’è una particella accuratamente allora perderemo informazioni sulla sua velocità e viceversa. Affrontati questi concetti possiamo finalmente spiegare il condensato di Bose.

La funzione d’onda dell’elettrone di un atomo di idrogeno a diverse energie. La luminosità indica la probabilità di osservare l’elettrone in quella regione (fonte: Wikipedia)

Lo zero assoluto e BEC

Sappiamo che la temperatura non è altro che la misura dell’agitazione termica delle particelle che compongono un oggetto. Più qualcosa è caldo, più le sue particelle sono veloci. Quindi, quando raffreddiamo qualcosa, in realtà stiamo rallentando il movimento caotico di queste particelle. La temperatura in cui le particelle cessano di muovere è lo zero assoluto, ossia 0 K o -273.15 °C. Una cosa strana succede quando portiamo dei bosoni a una temperatura ultrafredda (pochi milionesimi al di sopra dello zero assoluto). Chiamando in causa il principio di Heisenberg, più raffreddiamo questi bosoni, più si rallentano e più abbiamo accuratezza delle loro velocità (e meno delle loro posizioni). Quando diventano molto lenti, le funzioni d’onda di questi bosoni diventano quindi più larghe superando la distanza media che li separa. Sotto una certa temperatura critica, questi bosoni occupano tutti lo stesso stato quantico con la minore energia possibile (e questo, come ricordi, è possibile perché non seguono il principio di Pauli) e condividono anche la stessa funzione d’onda. A questo punto si crea un nuovo stato della materia, ossia il Bose-Einstein Condensate, o BEC. Teorizzato da Einstein e Bose nel 1925, è solo nel 1995 che è stato osservato direttamente.

Nella prima foto a sinistra si vede la diminuzione dell’energia delle particelle e la funzione d’onda che diventano più grandi. Nella foto a destra vediamo che le energie di ogni particella sono uguali e si ha un’unica funzione d’onda (fonte : Wikipedia)

Superfluido

È uno stato della materia caratterizzato dall’assenza completa di viscosità, dall’assenza di entropia e da una conducibilità termica infinita. Avere viscosità nulla vuol dire che i superfluidi, se messi in un percorso chiuso, possono scorrere infinitamente senza attrito. Immaginate del caffè in una tazza. Se lo mescolate questo girerà ma poi si fermerà. Un superfluido, non avendo attrito, può invece scorrere all’infinito. Alcuni superfluidi possono essere spiegati tramite il condensato di Bose-Einstein, per esempio il superfluido ottenuto a partire dall’isotopo elio-4. Portando questo gas a una temperatura di circa 2 K e pressione di circa 0 mbar, si ha la transizione da liquido normale a liquido superfluido. Siccome gli atomi dell’elio-4 sono dei bosoni, la loro superfluidità può essere considerata come una conseguenza della condensazione di Bose-Einstein. Uno dei più spettacolari risultati di queste proprietà è conosciuto come effetto fontana. Se un tubo capillare è posto in una vasca di elio superfluido, e questo poi è riscaldato (anche da una luce), il superfluido salirà lungo il tubo fino ad uscire dall’altro capo. Questo effetto è molto raccapricciante. Sembra che l’elio fluido sia vivente.

L’elio superfluido sale le pareti del contenitore seguendo il percorso in blu e gocciolando sotto (fonte : YouTube)

Supersolido e considerazioni finali

Lo stato supersolido è quindi uno stato della materia che possiede contemporaneamente una struttura cristallina e le proprietà di un superfluido. In particolare i suoi atomi possono scorrere senza attrito. Un supersolido è un materiale nel quale gli atomi hanno raggiunto lo stato quantico di minima energia e gli atomi riescono a scorrere tra di loro con viscosità nulla. Questa scoperta è molto entusiasmante e vede un ingente contributo da parte di ricercatori italiani. Questo è dunque un importante segnale che l’Italia, nonostante investa poco sulla ricerca, porta comunque ottimi risultati a livello internazionale. Chissà cosa potremmo combinare con più fondi e investimenti. Sottolineo anche il fatto che le scoperte di questi nuovi stati della materia sono state ottenute con difficoltà e in un arco temporale molto lungo (decenni). Questo fa capire come i limiti tecnologici sono un importante ‘nemico’ delle scienze. Abbiamo però sempre saputo come aggirare questi problemi. Dunque, siamo alla fine del percorso. Questi stati che vi ho parlato sono solo tre dei tanti altri stati della materia. Posso nominarvene altri 12 e chissà quando gli scienziati ne aggiungeranno altri in futuro. Ma per adesso bastano perché voi possiate andare dalle vostre maestre di scienze e dire a loro che vi hanno mentito quando avete parlato di solido, liquido e aeriforme…

Kerby Dimayuga

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