Osservato nuovo stato della materia grazie alla vite “quantistica” di Archimede

I ricercatori della Stanford University, negli Stati Uniti, hanno osservato un nuovo stato della materia al lavoro, presente all’interno di un filo sfuggente di gas quantistico. Questi hanno inoltre scoperto di poter creare un materiale che sia abbastanza stabile da resistere al collasso in una nuvola, anche sotto una forza considerevole. Versioni di tali materiali si pensava fossero possibili in fisica solo teoricamente poiché in pratica collassavano durante la formazione.

La storia dalle origini

Secondo la storia, il matematico, nonché fisico, Archimede di Siracusa si imbatté in un’invenzione mentre viaggiava attraverso l’antico Egitto, invenzione che importò in Italia e che portava il suo nome. Galileo Galilei la descrisse dicendo:

«Non mi pare che in questo luogo sia da passar con silenzio l’invenzione di Archimede d’alzar l’acqua con la vite: la quale non solo è maravigliosa, ma è miracolosa; poiché troveremo, che l’acqua ascende nella vite discendendo continuamente»

Questa è una macchina che consiste in una vite montata in un tubo cavo che cattura e assorbe l’acqua durante la rotazione. Ora, i ricercatori guidati dal fisico della Stanford University Benjamin Lev hanno sviluppato la forma quantistica della vite di Archimede. Questa sostituisce l’acqua trasportando fragili atomi di gas a stati energetici superiori. I risultati di tale ricerca sono dettagliati in un articolo pubblicato su Science, nel mese di gennaio.

L’osservazione dello stato della materia

Lev, professore associato di fisica applicata presso la School of Humanities and Sciences della Stanford University, ha dichiarato: “La mia aspettativa per il sistema è che la stabilità del gas sarebbe cambiata leggermente. Non mi aspettavo di vedere una stabilità così drammatica e completa. Questo va oltre i miei pensieri più folli”.

La categoria della sostanza al lavoro è classificata come Super Gas Tonks-Girardeau e il team di ricercatori si è chiesto cosa fosse successo se avessero modificato tale sistema sperimentale. Il Super gas è composto da atomi che sono stati raffreddati in una certa misura, così che iniziano a perdere il senso della propria identità e sono costretti a formare una linea continua vincolata dal potere collettivo. In condizioni ideali, anche sotto compressione, l’attrazione tra le particelle in questa stringa di gas quantistica allungata può mantenerla coerente. Questo è il motivo per cui i fisici lo descrivono come “super”. Tuttavia, in apparecchiature di laboratorio imperfette, anche il super gas Tonks-Girardeau più performante non può rimanere stabile per molto tempo e presto si ridurrà in una conformazione circolare.

Il fisico voleva sapere se la componente magnetica fornita dal disprosio, una delle forze magnetiche più elevate sulla tavola periodica, potesse durare più a lungo di altri gas non magnetici. “Rispetto alle interazioni attraenti che già esistono nel gas, le interazioni magnetiche che possiamo aggiungere sono molto deboli. Pertanto, la nostra aspettativa è che non cambierà molto. Pensiamo che crollerà ancora” disse Lev. I loro cambiamenti alla fine hanno prodotto un super gas Tonks-Girardeau modificato con Disprosio, che è rimasto stabile in ogni caso.

Le cicatrici quantistiche a molti corpi

Analizzando la macchina del processo, i ricercatori hanno evidenziato la presenza di un fenomeno noto come cicatrici quantistiche a molti corpi. Queste cicatrici sono simili ai sentieri percorsi, ovvero certe direzioni sembrano preferibili ad altre. Ciò che confonde le cicatrici quantistiche è il modo in cui si adattano alla termodinamica. Aumentando la temperatura di un gruppo di particelle queste rimbalzeranno solo di più, andando a distribuire l’energia termica finché tutti gli oggetti non avranno più o meno la stessa quota.

Le tracce quantistiche di molti oggetti violano questa regola di equilibrio e, indipendentemente dalla forza di eccitazione intorno a loro, mantengono una preferenza per determinati stati. Questo fenomeno è apparso una volta nella coda di un rubidio, ma non è mai apparso nel gas quantistico.

Questo esperimento è stato condotto in maniera puramente sperimentale, senza essere una dimostrazione della teoria esistente e ha portato risultati nuovi e inaspettati.