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Misurata per la prima volta la frazione superfluida in un supersolido

di Redazione

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Le fasi della materia sono stati distinti in cui la materia può esistere: solido, liquido, gas, e altre fasi esotiche. In un solido cristallino, le particelle sono disposte in una struttura ordinata e ripetitiva. In un liquido, le particelle sono vicine ma libere di muoversi, consentendo al liquido di adattarsi alla forma del contenitore. In un gas, le particelle sono molto distanti e si muovono liberamente, riempiendo tutto lo spazio disponibile. Esistono anche fasi meno comuni, come il plasma e il condensato di Bose-Einstein, con caratteristiche uniche legate a condizioni di temperatura e pressione estreme.

Nel 2019 un gruppo di ricerca dell’Università di Firenze e dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino) ha osservato per la prima volta una nuova fase della materia che si colloca tra lo stato cristallino e quello superlfluido, chiamata supersolido. L’osservazione era stata registrata a Pisa in un gas ultrafreddo di atomi magnetici e da allora la ricerca sul supersolido avanza rapidamente.

Un nuovo studio a cura dello stesso team di ricerca, coordinato da Giovanni Modugno, docente di Fisica della materia all’Università di Firenze, e Augusto Smerzi, dirigente di ricerca presso Cnr-Ino, ambedue afferenti anche al Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non lineare (LENS), è stato di recente pubblicato sulla rivista Nature. La pubblicazione esplora le differenze tra i supersolidi, che obbediscono alle leggi della meccanica quantistica, e cristalli e superfluidi. Il gruppo di ricerca toscano ha affrontato e risolto la questione misurando per la prima volta la “frazione superfluida”, una quantità che descrive precisamente le proprietà del supersolido, indicando in che misura esso si comporta come un solido e in che misura come un superfluido.

“La tecnica di misura della frazione superfluida”, spiegano i coordinatori, “si basa sul fenomeno delle oscillazioni Josephson, dal nome del fisico Brian Josephson, premio Nobel per la fisica nel 1973. Quando due superfluidi vengono separati da una barriera, ad esempio un potenziale dato da un fascio laser, essi possono ancora scambiarsi particelle l’uno con l’altro, al contrario di quanto avviene per due fluidi normali. Si tratta di un fenomeno di meccanica quantistica e si chiama, appunto, effetto tunnel quantistico. Il numero di particelle nei due superfluidi tende così a oscillare nel tempo”.

Nel supersolido, il passaggio di particelle avviene senza barriere esterne, grazie alla formazione spontanea di strutture parzialmente cristalline che agiscono come barriere naturali. Il gruppo di ricerca ha utilizzato un laser per eccitare in modo opportuno il sistema, avviando così il trasferimento di particelle e osservando oscillazioni di Josephson stabili nel tempo. È stato inoltre scoperto che la frequenza di queste oscillazioni è determinata dalla frazione superfluida, che misura la capacità del sistema di scambiare particelle, permettendo così una misurazione diretta di questa proprietà.

Come osservato dai ricercatori “Il risultato ottenuto è importante perché lega il concetto forse un po’ astratto di frazione superfluida proprio alla possibilità per le particelle di spostarsi da un picco di densità all’altro. Questa possibilità non è presente né per i superfluidi ordinari, che non hanno picchi di densità, né per i cristalli, in cui le particelle sono bloccate nei picchi di densità. Le oscillazioni Josephson spontanee sono perciò una caratteristica unica dei supersolidi”.

La frazione superfluida, proposta teoricamente oltre 50 anni fa da Antony Leggett, premio Nobel per la fisica nel 2003, non era mai stata misurata in un supersolido fino ad ora. Questa frazione può variare da 1 (superfluido ordinario) a 0 (solido classico), assumendo valori intermedi in un supersolido. Nell’esperimento condotto a Pisa, i ricercatori hanno dimostrato di poter controllare la frazione superfluida lungo tutto il range da 0 a 1, aumentando o diminuendo la profondità del reticolo cristallino che costituisce il supersolido.

Come concludono i ricercatori “La misura della frazione superfluida di un supersolido apre le porte all’investigazione di numerose proprietà particolari che differenziano i supersolidi dai superfluidi. L’innovativa tecnica di misura basata sull’effetto Josephson, inoltre, può essere applicata agli altri sistemi fisici candidati ad ospitare fasi supersolide, anche in materiali complessi e macroscopici come superconduttori ed elio liquido, permettendo di ampliare la conoscenza e le possibili applicazioni di questa nuova fase della materia”.

Tra le possibili applicazioni dei supersolidi in diversi campi tecnologici spiccano quelle nei sensori ultraprecisi e nei dispositivi di trasporto senza attrito, la cui realizzazione potrebbe essere rivoluzionata. Inoltre, la loro capacità di formare strutture stabili a livello nanometrico li rende promettenti per l’innovazione nei materiali avanzati e nell’elettronica quantistica.

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Aggiornato il 05/30/2024

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