Sapere Scienza

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Un po’ solido, un po’ superfluido: è un supersolido, un nuovo stato della materia

18 Settembre 2019

Il supersolido era stato osservato alcuni mesi fa dai ricercatori dell'Istituto Nazionale di Ottica di Pisa e dell'Università di Firenze. Ora gli studi stanno procedendo alla scoperta delle proprietà di questo nuovo stato della materia e i primi risultati sono stati da poco pubblicati su Nature. Cosa sono gli stati della materia? Cos'ha di speciale un supersolido?

 

Cosa sono gli stati della materia?

 

Alcuni di voi ne avranno sentito parlare a scuola, durante le prime lezioni di chimica o fisica. Gli stati della materia (o stati di aggregazione) sono gli stati che un corpo o una sostanza può assumere a seconda del modo di associarsi e interagire dei suoi atomi e delle sue molecole, della loro struttura. Questo determina alcune delle diverse proprietà della materia stessa. Gli stati principali, conosciuti da più tempo, sono lo stato solido, liquido e gassoso. Un solido ha una forma e un volume propri poiché costituito da una struttura rigida e ordinata in cui sono disposti atomi e molecole, il reticolo cristallino; i liquidi hanno un volume proprio e non una forma propria, assumeranno infatti la forma del recipiente in cui li versate; i gas non hanno né volume né forma propria e tendono a occupare tutto lo spazio a loro disposizione.
Esiste anche il cosiddetto quarto stato della materia: il plasma. Ve ne avevamo parlato a proposito della fusione nucleare all'interno del reattore ITER. Il plasma è un gas ionizzato costituito da particelle cariche elettricamente, positive e negative, che nell'insieme però fanno sì che la carica elettrica totale sia nulla.
Negli ultimi decenni la classificazione degli stati della materia si è notevolmente ampliata. Tra i nuovi stati ci sono i superfluidi, i condensati di Bose-Einstein e i supersolidi.

 

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La prima osservazione di un supersolido

 

Cos'è un supersolido e come è possibile osservarlo in laboratorio? Il supersolido è uno stato della materia che racchiude le proprietà di un solido e di un superfluido: mantiene una struttura cristallina come il primo ma i suoi atomi possono scorrere senza attrito come nel secondo. Gli scienziati dell'Istituto Nazionale di Ottica di Pisa (CNR), dell'Università di Firenze e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare (LENS), in collaborazione con i colleghi teorici dell'Università di Hannover, sono riusciti a studiare il supersolido in un gas di atomi magnetici ultrafreddi, realizzato in laboratorio con atomi di disprosio portati a temperature vicino allo zero assoluto (-273,15 °C). Giovanni Modugno, docente di Fisica della materia dell'Università di Firenze, spiegava a pochi giorni dalla pubblicazione del lavoro su Physical Review Letters, come il team fosse arrivato a osservare il nuovo stato della materia: "I ricercatori fin dagli anni '60 hanno provato a realizzare questo stato della materia, previsto dalle leggi della meccanica quantistica; dopo aver provato con l'elio, i tentativi si sono indirizzati verso i condensati di Bose-Einstein, insiemi di bosoni ultrafreddi in cui le particelle sono in uno stato superfluido. E proprio attraverso un condensato di Bose-Einstein, realizzato con un particolare tipo di atomi molto magnetici, oggi siamo riusciti ad arrivare all'osservazione di un supersolido che si basa solo sull'interazione tra gli atomi". Si è ottenuto così uno stato in cui gli atomi si comportano come potenti magneti, interagendo fra loro in modo da formare una struttura periodica, come nei solidi, ma nel quale possono comunque muoversi liberamente attraverso il sistema, come in un superfluido.

 

Quali sono le proprietà di un supersolido? I ricercatori indagano

 

Gli scienziati stanno proseguendo nell'analisi del supersolido e nuove proprietà sono state descritte in un articolo pubblicato recentemente su Nature. I ricercatori del Dipartimento di Fisica e il LENS dell'Università di Firenze, l'Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO, sedi di Pisa e di Trento) e il Dipartimento di Fisica dell'Università di Trento, hanno descritto la particolare natura del supersolido, confermando anche una teoria generale che lega le simmetrie di un sistema fisico all'esistenza di onde sonore all'interno del sistema stesso. Per dimostrarlo, i fisici hanno applicato una compressione al supersolido, come se fosse una piccola molla, e hanno studiato le sue oscillazioni periodiche. Mentre il solido e il superfluido ordinari oscillano ognuno con una sola frequenza, il supersolido oscilla contemporaneamente con due frequenze diverse. Santo Roccuzzo, Alessio Recati e Sandro Stringari, dell'Università di Trento, hanno spiegato: "Per capire l'esperimento occorre sapere che quando un sistema si trasforma rompendo una propria simmetria, dovrebbe apparire un'onda sonora. Nel nostro caso, le due frequenze di oscillazione osservate per il supersolido corrispondono proprio a due diverse onde sonore, perché il supersolido rompe contemporaneamente due simmetrie essendo sia superfluido che solido".
Tutto questo apre la via a una serie di ipotesi e ci si aspetta che il supersolido combini proprietà generali dei solidi e dei fluidi fino a ora ritenute incompatibili: ad esempio, gli scienziati vorrebbero esaminare come il supersolido possa sopportare un carico, come fa normalmente un solido, e contemporaneamente scorrere senza attrito come un superfluido.
Nonostante il supersolido sia uno stato della materia che esiste solo in laboratorio, la comunità scientifica sostiene che il suo studio potrà condurci verso lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie.

 

Il futuro del progresso tecnologico è luminoso. Lasciatevelo raccontare da Leonida Antonio Gizzi con il suo articolo "Laser estremi e plasmi: un futuro brillante", pubblicato nel numero di ottobre 2018 di Sapere.

 

Immagine di copertina: nell'esperimento i cui risultato sono stati pubblicati su Physical Review Letters nell'aprile scorso, 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). Si nota la formazione di una struttura periodica (qui nello spazio degli impulsi) fra una fase omogenea (la BEC) e una disordinata (le gocce). Credits: CNR

copertina   settembre-ottobre 2019

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