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Ottenuto in laboratorio il primo supersolido in 2D

Dopo anni di ricerche, un team di fisici dell’Università austriaca di Innsbruck riesce a realizzare in laboratorio un supersolido bidimensionale, un particolare stato della materia che possiede contemporaneamente le proprietà di un solido e quelle di un superfluido.

Categorie Fisica · Nanotecnologie

Lo stato della materia che il team di ricercatori è riuscito a realizzare va sotto il nome di supersolido ed è qualcosa che i fisici cercavano da decenni. La sua particolarità è quella di coniugare in un unico stato della materia proprietà che appartengono a sistemi dalle caratteristiche opposte tra loro: lo stato solido con la sua struttura ordinata di atomi e l’assenza di viscosità e attrito che invece caratterizza un superfluido.

Sono le bizzarre regole che regolano il mondo quantistico a permettere alla materia di trovarsi in uno stato tanto particolare. Già a partire dagli anni settanta, i teorici si interrogavano sulla possibilità che la materia potesse organizzarsi in uno stato quasi paradossale, come un supersolido. Questo è la sovrapposizione di due tipi di ordini della materia che sembrano contraddirsi a vicenda, una disposizione di atomi ordinati in una struttura cristallina che però è priva di attrito e che può quindi scivolare all’infinito senza dissipazione di energia.

La materia solida presenta un alto grado di ordine nella sua struttura. Gli atomi che formano un solido tendono infatti ad organizzarsi in strutture più o meno regolari, e da queste derivano tutte le proprietà della materia condensata come proprietà meccaniche, ottiche e di conducibilità.

La materia superfluida

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Dall’altra parte troviamo un comportamento opposto per i superfluidi. La materia fluida, come gas e liquidi, perde la struttura ordinata che caratterizza un solido, e questo risulta in proprietà completamente differenti. Per alcuni sistemi di fluidi, quando questi sono raffreddati sotto di una certa temperatura critica, è possibile osservare una transizione verso un nuovo stato noto come superfluido. 

I superfluidi presentano molte caratteristiche insolite: possiedono alcune caratteristiche di un fluido normale ma insieme a queste hanno viscosità nulla e conducibilità termica infinita. Questo vuol dire che non è possibile creare in un superfluido un gradiente di temperatura, ovvero due punti che abbiano temperature diverse. Il trasporto termico è talmente efficace da ripristinare in maniera istantanea l’equilibrio termico tra i due punti.  L’assenza di viscosità comporta invece che un superfluido non sia soggetto ad attrito. Un superfluido messo su un percorso chiuso continuerebbe a scorrervi indefinitamente senza attrito.

Il team di fisici sperimentali dell’università di Innsbruck, guidati dalla ricercatrice italiana Francesca Ferlaino, è riuscito per la prima volta ad ottenere un esempio di materiale bidimensionale. Questo mostrava contemporaneamente le proprietà dei due stati così diversi tra loro.

Si realizza un supersolido dopo una ricerca durata decenni

Da quando lo stato di supersolido era stato ipotizzato, decide di gruppi di ricercatori si sono cimentati per trasformare quella previsione in una realtà fisica. Il primo risultato arriva nel 2019 quando tre diversi gruppi, tra cui l’istituto nazionale di ottica di Pisa, riescono nel tentativo di realizzare lo stato di supersolido ma con singole “droplet”, o goccioline.

Il gruppo di Francesca Ferlaino è però riuscito ad ottenere qualcosa di completamente nuovo: partendo da un gas quantistico ultrafreddo di atomi di disprosio, è riuscito a realizzare una struttura ordinata di droplets, come un reticolo bidimensionale di un cristallo, che mantiene tutti i comportamenti quantistici previsti e già osservati per le singole droplets.

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Supersolido in 2D creato da un gas ultrafreddo. I colori rappresentano la densità, dal nero (bassa) al giallo (alta). Credits: Matthew A. Norcia et al., Nature, 2021

In un sistema quantistico, come per l’appunto il reticolo bidimensionale dei ricercatori, si perde la possibilità di localizzare una particella in un punto definito. Il reticolo di goccioline addensate in un mare di gas quantistico ultrafreddo presenta proprio questa caratteristica prettamente quantistica, e parecchio controintuitiva, che gli conferisce le proprietà di un supersolido: Nonostante gli addensamenti, gli atomi di disprosio sono tra loro indistinguibili e ciascuno di essi si trova diffuso su tutto il reticolo.

 «Di solito, si penserebbe che ogni atomo si trovi in una data droplet, e che non ci sia alcun modo per questo atomo di muoversi tra le stesse», spiega uno degli autori. “Al contrario, nello stato supersolido, ogni particella è delocalizzata su tutte le droplets, trovandosi contemporaneamente in ogni droplet. Dunque, il sistema forma una serie di regioni ad alta densità (droplets) che condividono gli stessi atomi delocalizzati».

La strada verso il supersolido

L’approccio sperimentale che si è seguito inizialmente partiva dall’idea che un solido, se sufficientemente raffreddato, poteva iniziare a mostrare delle proprietà di un superfluido. L’obiettivo era quello di ottenere un materiale in cui ciascuna particella fosse indistinguibile e si comportasse allo stesso modo come localizzata e diffusa.

Il miglior candidato che è stato preso in considerazione è stato l’elio solido. Sebbene in un primo momento sembravano esserci risultati promettenti in questa direzione, molti risultati sperimentali sembravano evidenziare che ottenere dell’elio supersolido non fosse possibile. Così, mentre alcune ricerche hanno continuato ad indagare materiali di questo tipo, in altre l’attenzione si è spostata verso candidati diversi: gli atomi freddi.

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Realizzazione sperimentale di uno stato esagonale bidimensionale a sette gocce. Credits: Nature

In un gas quantistico ultrafreddo, come un condensato di Bose-Einstein, con interazioni a lungo raggio e non isotrope, tali cioè che le particelle possano attrarsi in alcune direzioni e respingersi in altre, il sistema tende ad essere in qualche modo instabile.

Un sistema di questo tipo ha una tendenza a “cristallizzare”. Ovviamente, per un gas, non si ottiene mai una struttura cristallina, ma rimane la tendenza del sistema ad organizzarsi spontaneamente in una struttura ordinata, come un’onda di materia.

Il risultato sperimentale è stato quello di trovare un meccanismo capace di stabilizzare il sistema perché “cristallizzasse” solo parzialmente per poi fermarsi. Questo permetteva una transizione verso un nuovo stato di minima energia, che è appunto il supersolido.

Credits Immagine in evidenza: © 1Q0Q1 Innsbruck/Harald Ritsch

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