La meccanico quantistica non teme le contraddizioni

La meccanico quantistica ama sorprendere. Alla scala dell’infinitamente piccolo la materia può essere solida e liquida al tempo stesso, rigida come un cristallo, ma anche talmente fluida da non avere attrito: come se un caffè agitato dal cucchiaino non dovesse smettere mai di girare e come se tazzina e bevanda fossero una cosa sola. I fisici del Cnr di Pisa e dell’università di Firenze, con la collaborazione dell’università di Hannover, non si sono stupiti per l’ennesimo gioco di prestigio di questa branca della fisica. Il nuovo e bizzarro stato della materia – chiamato supersolido – era infatti stato previsto dalle teorie alla fine degli anni ’60.

“Fin da allora i ricercatori avevano provato a realizzarlo in laboratorio” spiega Giovanni Modugno, che insegna fisica della materia nel capoluogo toscano e lavora al Lens, il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare. Qualche ricercatore aveva anche annunciato di aver toccato con mano il risultato, salvo poi dover ritrattare. In meccanica quantistica, infatti, più ancora che in altre discipline, tra il dire e il fare c’è in mezzo il mare. Oggi lo stato supersolido è stato finalmente creato al Cnr di Pisa. A pubblicare il risultato è la prestigiosa rivista Physical Review Letters.

Dopo i fisici toscani, altri due gruppi internazionali hanno realizzato la materia supersolida: l’équipe dell’università di Innsbruck guidata dalla giovane scienziata Francesca Ferlaino (figlia dello storico presidente del Napoli calcio) e un terzo team dell’università di Stoccarda. Una prima osservazione di supersolido l’avevano ottenuta due anni fa il gruppo del premio Nobel Ketterle al MIT e un gruppo all’ETH di Zurigo, dove però le proprietà solide erano imposte esternamente al sistema. Nelle scoperte odierne è invece il sistema stesso che si trasforma in supersolido per le proprie caratteristiche. “La nostra scoperta apre una nuova direzione per comprendere le proprietà dei materiali quantistici. Lo dimostra il fatto che i principali laboratori estri si siano subito lanciati nella competizione” conferma Modugno.

“Il primo ingrediente per realizzare questo stato della materia è il freddo” spiega Carlo Gabbanini, fisico dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr. “Dobbiamo raggiungere una temperatura molto vicina allo zero assoluto. Siamo arrivati a meno 273,15 gradi”. Gli atomi sottoposti al grande gelo sono due ospiti peculiari della tavola periodica degli elementi: “Erbio e disprosio hanno un magnetismo molto più forte della media” prosegue Gabbanini. “Possiamo usare questa loro forza di attrazione per vincere la repulsione che gli atomi normalmente hanno l’uno per l’altro, quando si trovano troppo vicini”. Per avvicinare gli atomi ribelli bisogna giocare sulla geometria. Manipolarli è possibile usando fasci di luce. “Li strizziamo in modo che si ritrovino vicini, disposti come gli atomi di un cristallo e sensibili all’attrazione magnetica” spiega Gabbanini. In questo modo si ottengono le proprietà solide della materia. Le proprietà del liquido ad attrito zero si guadagnano invece a opera del freddo: alle temperature vicine allo zero assoluto gli atomi di alcuni gas possono raggiungere uno stato detto “condensato di Bose-Einstein” (dal nome dei due scienziati che l’hanno teorizzato), in cui gli atomi sono sempre “strizzati” nella loro gabbia, ma riescono a saltare da una posizione all’altra, occupando la casella dell’atomo vicino. In questo modo il materiale supersolido raggiunge la massima fluidità (il caffè agitato dal cucchiaino non smette mai di girare).

Quello che i fisici vedono, in realtà, non ha nulla a che fare con una tazzina di caffè. “Si possono ottenere tramite immagini al computer ad alta risoluzione” spiega Andrea Fioretti del Cnr. “Sono loro a confermarci che i circa 50mila atomi che stiamo manipolando hanno raggiunto lo stato supersolido. Abbiamo a che fare con dimensioni molto, ma molto più piccole di quanto si possa osservare a occhio nudo”.