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Un gruppo internazionale di fisici è riuscito a osservare un supersolido a temperatura ambiente, uno stato quantistico della materia che unisce la struttura ordinata di un cristallo allo scorrimento senza attrito tipico di un liquido molto particolare. Fino a oggi fenomeni del genere richiedevano un raffreddamento estremo, vicinissimo allo zero assoluto. Questa volta invece tutto è avvenuto in condizioni decisamente più comode, e il risultato pubblicato su Science Advances potrebbe avvicinare nuove tecnologie basate sulla luce, dal calcolo ottico ai sensori ad altissima sensibilità.
Dietro la scoperta c’è il lavoro congiunto della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, dell’Università Tecnologica Militare polacca, di IBM Research Zurigo e del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS). Al posto degli atomi ultrafreddi, i ricercatori hanno usato particelle ibride che mescolano proprietà della luce e della materia. Si tratta di una scelta che cambia parecchio le carte in tavola per chi studia la fisica quantistica.
Quando un solido scorre come un liquido
Nella vita di tutti i giorni solidi e liquidi si comportano in modo opposto. I cristalli hanno particelle disposte secondo schemi che si ripetono, mentre i liquidi scorrono e cambiano forma. Le regole quantistiche però permettono comportamenti impensabili su scala ordinaria. Uno di questi è la superfluidità, cioè la perdita totale di viscosità da parte di un fluido, che riesce così a passare attraverso fessure strettissime senza il consueto attrito. Immergendo un remo in un liquido del genere non si incontrerebbe quasi nessuna resistenza fino a una certa velocità. Superata quella soglia comparirebbero all’improvviso minuscoli vortici quantistici.
Negli anni Sessanta i fisici ipotizzarono qualcosa di ancora più strano, ovvero un superfluido capace di sviluppare anche la struttura ripetitiva di un cristallo. Nacque così l’idea del supersolido, rimasta sulla carta per decenni. La conferma sperimentale è arrivata solo nel 2017 grazie ai condensati di Bose Einstein di atomi ultrafreddi, sistemi in cui le particelle entrano in uno stato quantistico collettivo e si muovono in modo coordinato. Il problema era che servivano apparecchiature sofisticatissime per portare la materia a temperature prossime allo zero assoluto.
Polaritoni, cristalli liquidi e poche ore per riuscirci
Il consorzio internazionale TopoLight ha preso un’altra strada lavorando con i polaritoni eccitonici. Queste quasiparticelle nascono quando luce e materia interagiscono così intensamente da accoppiarsi dentro una minuscola camera ottica chiamata microcavità. Vivono pochissimo, appena qualche picosecondo, cioè qualche millesimo di miliardesimo di secondo. Eppure riescono a formare un condensato e a comportarsi come un superfluido quantistico. Il team ha costruito una microcavità contenente un cristallo liquido progettato ad hoc e l’ha ricoperta con un semiconduttore organico. “Le nostre microcavità a cristalli liquidi possono funzionare anche a temperature vicine ai 60°C”, spiega il professor Wiktor Piecek dell’Università Tecnologica Militare, il cui gruppo ha sviluppato queste strutture.
La prova del passaggio allo stato di supersolido è arrivata dalla luce emessa dal campione, che mostrava una serie di frange luminose regolarmente spaziate. Era il segno che la densità del condensato aveva assunto spontaneamente una variazione periodica, proprio come in un cristallo. C’era però un dettaglio curioso. A ogni impulso laser le frange comparivano in una posizione diversa perché il sistema sceglieva ogni volta tra più configurazioni equivalenti. “È un esempio da manuale di rottura spontanea di simmetria“, osserva il professor Guillaume Malpuech dell’Institut Pascal (CNRS). “La teoria prevedeva che il supersolido potesse scegliere tra diversi stati equivalenti ed è esattamente ciò che abbiamo osservato”. Il condensato mostrava anche un’elica di spin persistente, una variazione ripetuta nella polarizzazione della luce emessa. Due forme di ordine dunque, una nell’intensità e l’altra nella polarizzazione.
L’esperimento non è stato affatto semplice. Il semiconduttore organico reagiva lentamente con il cristallo liquido e ogni campione restava utilizzabile solo per poche ore. “Dovevamo pianificare in anticipo l’intera sequenza di esperimenti”, ricorda Marcin Muszyński, primo autore dello studio e oggi ricercatore postdoc al City College di New York. “Ripetere una misura significava fabbricare un campione completamente nuovo”. Le misurazioni principali si sono svolte a Zurigo, dove sottili strati di semiconduttore sono stati depositati su strutture fotoniche prodotte in Polonia. “Studiamo da molti anni il semiconduttore organico MeLPPP e in passato vi avevamo già osservato la condensazione di Bose Einstein”, racconta Thilo Stöferle di IBM Research. “Era la prima volta che lo combinavamo con una microcavità a cristalli liquidi”.
Perché la temperatura ambiente fa la differenza
Molti esperimenti sugli stati quantistici esotici dipendono da costosi sistemi criogenici, che complicano la ricerca e rendono difficile trasformare le scoperte di laboratorio in tecnologie utili. Il nuovo risultato dimostra che alcuni di questi effetti possono essere studiati in dispositivi fotonici che lavorano a temperature ordinarie. Tra le possibili applicazioni figurano dispositivi fotonici ultraveloci, sensori ottici avanzati e acceleratori specializzati per il calcolo neuromorfico, un approccio che punta a imitare alcuni aspetti dell’elaborazione delle informazioni del cervello per svolgere determinati compiti in modo più efficiente.
Fonte: TecnoAndroid