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FISICA/ Il "supervetro" parla italiano: ecco come lo abbiamo scoperto

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Una delle prime nozioni di fisica che si impara a scuola è che la materia si può trovare in tre diversi stati: solido, liquido e gassoso. I solidi sono spesso definiti come i materiali che non fluiscono. I liquidi al contrario fluiscono, ma non in maniera perfetta. Un liquido mescolato all’interno di un contenitore si muove, ma quando si smette di mescolarlo, dopo un certo tempo, si ferma: pensate per esempio a cosa succede quando mescolate il caffè in una tazzina. A temperature molto basse, vicine allo zero assoluto (-273.15 °C), esistono invece dei liquidi che fluiscono in maniera perfetta: se messi in movimento all’interno di un contenitore non si fermano mai. A causa di questo effetto sorprendente, il fisico russo Pëtr Kapitza li chiamò “superfluidi”. Il fenomeno di superfluidità fu scoperto poco prima della seconda guerra mondiale nel liquido formato da elio, il gas usato per gonfiare i palloncini. L'elio è tuttora l'esempio più famoso di superfluido, e si trova in questa fase a temperature più basse di -271 °C.

 

Intorno al 1970 diversi fisici teorici ipotizzarono l’esistenza di un meccanismo che, aumentando molto la pressione, avrebbe potuto far diventare l’elio allo stesso tempo solido e superfluido. A questo nuovo, e ipotetico, stato della materia fu dato il nome di “supersolido”. Tuttavia, avevamo detto che un solido, per definizione, non fluisce. Com’è possibile che l'elio sia solido e allo stesso tempo fluisca in maniera perfetta? Prima di rispondere a questa domanda dobbiamo ridiscutere la nostra definizione di solido. Nei solidi ordinari gli atomi oscillano intorno a delle posizioni ben precise, dalle quali non si allontanano molto. Nei liquidi e nei gas invece gli atomi si spostano dappertutto, non ci sono posizioni preferenziali. Quest'ultimo fatto, e non la proprietà di fluire o meno, caratterizza veramente i solidi dal punto di vista microscopico. Un supersolido sarebbe quindi uno stato della materia in cui esistono posizioni preferenziali per gli atomi, ma allo stesso tempo questi ultimi possono muoversi senza resistenza. Non c’è dubbio che quest’effetto possa sembrare paradossale e in effetti lo è in fisica classica, ma diventa invece naturale nel mondo un po’ strano della fisica quantistica.

 

A seguito di queste proposte teoriche, formulate negli anni ‘70, molti esperimenti tentarono di dimostrare l’esistenza dei supersolidi. Dopo più di trent’anni di studi, nel 2004, Kim e Chan dell’università della Pennsylvania (Usa) hanno ottenuto per la prima volta dei risultati sperimentali che mostrano che l’elio, a temperature molto basse e a pressioni molto alte, diventa supersolido. I loro risultati, pubblicati su Nature e su Science, due riviste molto prestigiose, hanno generato un grande interesse nella comunità scientifica. Molti gruppi sperimentali nel mondo hanno ripetuto questi esperimenti e ne hanno ideati di nuovi. I risultati di Kim e Chan sono stati confermati, ma si è scoperto che l’origine della supersolidità non è il meccanismo ipotizzato dai teorici negli anni ‘70.

 

La comunità scientifica è di fronte ad un nuovo enigma. Un fatto è chiaro: più i solidi sono disordinati più la supersolidità è forte. Se gli atomi di elio sono disposti perfettamente in maniera periodica, come succede in molti materiali, la supersolidità scompare. Un’ipotesi naturale è quindi che l’elio studiato negli esperimenti sia allo stato vetroso. I vetri, infatti, sono i solidi disordinati per eccellenza perché le posizioni degli atomi non sembrano seguire nessun ordine particolare. Questa ipotesi, suggerita da vari risultati sperimentali, rende il fenomeno ancora più paradossale: i vetri sono spesso descritti come dei liquidi che non colano perché diventati troppo viscosi. Ma allora un supervetro sarebbe un liquido che è allo stesso tempo estremamente viscoso e superfluido, in altre parole cola in maniera perfetta? Nonostante possa sembrare assurdo, questo stato della materia può esistere.

 

Lo abbiamo dimostrato insieme a C. Chamon, Professore alla Boston University, in un lavoro recente pubblicato sulla rivista Physical Review B. Prima del nostro lavoro delle simulazioni numeriche effettuate da un team americano avevano già suggerito la possibile esistenza di questa nuova fase. Usando i computer e partendo dalle equazioni fondamentali della fisica si riesce a riprodurre in modo realistico, almeno entro certo limiti, il comportamento fisico di molti sistemi classici. Nel caso dei sistemi quantistici, come l’elio a bassa temperatura, tutto è più complicato ed è per questo che nel caso dei supervetri non è stato possibile stabilire con certezza se il sistema fosse diventato estremamente viscoso e superfluido allo stesso tempo. Nel nostro lavoro abbiamo dimostrato che la fase di supervetro può davvero esistere; in questa fase, è come se l’elio fosse formato da due parti distinte: una che si muove come un superfluido e l’altra che è rigida come un vetro ordinario. Non bisogna però pensare che gli atomi del supersolido siano suddivisi in queste due parti: a causa delle strane leggi della meccanica quantistica gli atomi appartengono alle due parti allo stesso tempo!

 

L’avventura non è ancora terminata: esperimenti futuri dovranno dimostrare se l’elio si trasforma veramente nella fase di supervetro o in qualcos’altro, magari d’ancora più esotico.



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