Cristallino e liquido allo stesso tempo
Quando la materia viene raffreddata vicino allo zero assoluto, a volte si verificano fenomeni notevoli. Tra questi, la suprasolidità, in cui si verificano contemporaneamente strutture regolari e flusso senza attrito. I ricercatori del Fare ricerca all'ETH sono riusciti a dimostrare sperimentalmente questo strano stato per la prima volta.
Solido, liquido o gassoso: questi sono i tre stati chiaramente definiti in cui percepiamo la materia nel nostro mondo quotidiano. ? quindi difficile immaginare che le sostanze possano assumere le proprietà di due stati contemporaneamente. Ma nel mondo della fisica quantistica questo è esattamente ciò che è possibile: la materia può talvolta combinare proprietà che sembrano escludersi a vicenda.
Uno di questi stati paradossali è la suprasolidità: quando la materia assume questo stato, da un lato ha le proprietà di un materiale solido, dall'altro si comporta come un cosiddetto superfluido. In uno stato suprasolido, gli atomi sono disposti regolarmente come in un cristallo, ma allo stesso tempo si muovono senza attrito come in un superfluido.
Un sofisticato set-up sperimentale
Finora il suprasolidio esisteva solo come costrutto teorico. Un gruppo di ricerca guidato da Tilman Esslinger, professore di ottica quantistica presso l'Istituto di elettronica quantistica, e da Tobias Donner, scienziato senior presso lo stesso istituto, riferisce ora nell'attuale numero della rivista "Nature" di essere riuscito a creare per la prima volta un tale stato suprasolido.
I ricercatori hanno raffreddato una piccola quantità di gas di rubidio in una camera a vuoto a una temperatura di pochi miliardesimi di Kelvin sopra lo zero assoluto, facendo sì che questi atomi si condensassero in un cosiddetto condensato di Bose-Einstein. Si tratta di una speciale struttura quantistico-fisica che si comporta come un superfluido.
I ricercatori hanno collocato questo condensato in un dispositivo con due camere di risonanza ottica intersecanti, ciascuna costituita da due piccoli specchi contrapposti. Il condensato è stato quindi illuminato con luce laser, che è stata diffusa in queste due camere. La particolare combinazione dei due campi di luce nelle camere di risonanza ha fatto sì che gli atomi del condensato si disponessero in modo regolare, formando una struttura simile a un cristallo. Nonostante ciò, il condensato ha mantenuto le proprietà che aveva come superfluido. Gli atomi del condensato potevano quindi essere spostati - almeno in una direzione - senza dispendio di energia, cosa che non sarebbe stata possibile in un solido "normale".
"Siamo riusciti a creare questo stato speciale solo grazie a una costruzione molto sofisticata con cui siamo riusciti a rendere identiche le due camere di risonanza per gli atomi", spiega Esslinger.
Concetto teorico realizzato
Con il loro esperimento, i fisici Esslinger e Donner sono riusciti a realizzare un concetto teorico che risale, tra gli altri, al fisico britannico David Thouless. Nel 1969, egli ipotizzò che un superfluido potesse essere allo stesso tempo cristallino. Sulla base di considerazioni teoriche, si concluse che questo fenomeno poteva essere più facilmente dimostrato nell'elio, se questo veniva raffreddato a pochi Kelvin al di sopra dello zero assoluto. Nel 2004, un gruppo americano riteneva di essere riuscito a dimostrarlo sperimentalmente. Tuttavia, in seguito hanno attribuito le loro misurazioni agli effetti di superficie dell'elio. "Il nostro lavoro è riuscito a realizzare le idee di Thouless", spiega Collaboratore. "Tuttavia, non l'abbiamo dimostrato con l'elio, ma con un condensato di Bose-Einstein".
Per inciso, c'è un secondo studio su questo argomento nello stesso numero di Nature: un gruppo di ricerca guidato da Wolfgang Ketterle del MIT ha pubblicato lo scorso autunno - poco dopo i Fare ricerca all'ETH - di essere riuscito a dimostrare la super-solidità. Tuttavia, il lavoro dei ricercatori del MIT si basa su un approccio sperimentale diverso.
Letteratura di riferimento
Léonard J, Morales A, Zupancic P, Esslinger T, Donner T: Formazione di supersolidi in un gas quantistico che rompe una simmetria traslazionale continua. Nature 2017, 543: 87-90, doi: pagina esterna10.1038/nature21067