Alcuni fisici sostengono di aver creato con successo un nuovo modulo’ impossibile ‘della materia in laboratorio – un supersolido , che ha proprietà di entrambi i liquidi e solidi allo stesso tempo.
Gli scienziati hanno previsto che questo stato esotico della materia potrebbe avere una durata per più di 50 anni, ma nessuno era stato in grado di dimostrare che è effettivamente possibile. Ora, due gruppi indipendenti di fisici hanno utilizzato diverse tecniche per ottenere lo stesso risultato – ciò che essi sostengono sono i primi esempi della materia supersolida.
Ci saranno certamente polemiche su questi nuovi esperimenti che in modo inequivocabile dimostrano la possibilità di creare uno stato supersolid – soprattutto dopo che una simile affermazione nel 2004 era stata più volte oggetto di ridimensionamenti – ma questo è la prova più convincente che in realtà il supersolido potrebbe esistere.
Per coloro che non hanno familiarità con quanto bizzarro c’è in un ‘supersolido’, occorre ricordare che si tratta di una strana materia che ha la struttura cristallina di un solido, mentre scorre come un liquido – qualcosa che è abbastanza contraddittorio quando si tratta di fisica tradizionale.
Di solito, esiste la materia in soli quattro semplici stati: solido, liquido, gassoso, e di plasma. Questi stati sorgono a seconda delle condizioni quali la temperatura e la pressione, e sono definiti dalle disposizioni di particelle all’interno della materia.
Ciò che c’è di strano sullo stato supersolido della materia è che le particelle sono disposte in una struttura rigida, solida, ma poi si può anche scorrere senza viscosità – o ‘vischiosità’ – che è una caratteristica fondamentale di un superfluido .
“E ‘controintuitivo avere un materiale che unisce superfluidità e solidità”, ha detto il ricercatore di una delle squadre che stanno dietro la scoperta, Wolfgang Ketterle dal MIT.
“Se il caffè fosse superfluido fosse mescolato, continuerebbe a girare nella tazzina per sempre.”
I supersolidi sono stati previsti da fisici russi nel 1969, che ipotizzarono che un isotopo elio-4 potrebbe visualizzare le proprietà solide e liquide allo stesso tempo, a determinate condizioni.
Per un lungo tempo, i ricercatori hanno generalmente affermato che era impossibile creare una tale struttura – ma questo non ha fermato altri nel tentativo di creare questo materiale.
Un passo avanti è arrivato nel 2004 , quando i ricercatori della Pennsylvania State University raffreddarono elio a meno di un decimo di grado sopra lo zero assoluto (circa -273 gradi Celsius), inciampando su quello che poteva essere uno stato supersolido.
Come riporta Bec , la squadra non era abbastanza sicura di dire che avevano in realtà fatto un supersolid, visto che non hanno potuto escludere la possibilità che un sottile strato di liquido era intrufolato all’interno del contenitore e distorta la loro risultati.
Diversi esperimenti nel decennio successivo hanno ulteriormente sfatato l’idea di aver utilizzato un supersolido, dimostrando che l’elio-4 ha un tipo di ‘plasticità quantica‘ in determinate situazioni, che non è causata da una supersolidità.
La maggior parte della comunità scientifica più o meno ha deciso che il campione del 2004 non può essere considerato un vero e proprio supersolido, e negli ultimi anni il settore è stato abbastanza tranquillo sul tema.
Ma poi, nel mese di novembre, non una, ma due squadre indipendenti hanno dichiarato di essere riusciti a realizzare un supersolido in laboratorio.
I ricercatori sono quelli del MIT a Cambridge, Massachusetts, e l’ETH di Zurigo in Svizzera, e anche se entrambi avevano diversi progetti, la squadra ha ottenuto il supersolido attraverso uno strano tipo di gas conosciuto come “condensato di Bose-Einstein” per creare il materiale.
Condensati di Bose-Einstein sono un quinto stato della materia che appaiono a temperature ultra-fredda, in cui gli atomi si comportano come onde.
Essi hanno proprietà uniche di loro, ma ciò che è buono sull’utilizzo di un condensato di Bose-Einstein per creare un supersolid è che è già un superfluido, quindi è a metà strada.
Il team ha sfruttato questi gas ultra-freddi e e ha utilizzato tecniche leggermente diverse per convincere in una fase quantistica della materia con una struttura rigida come un solido, ma la capacità di scorrere come un superfluido.
A quel tempo, le due squadre hanno pubblicato i loro risultati sul server di arXiv.org pre-stampa. E ora sono stati entrambi peer-reviewed e pubblicati sulla rivista Nature ( qui e qui ) , che offre la prova più consistente fino ad oggi che supersolido è reale.
I ricercatori svizzeri hanno potuto ottenere questo prelevando una piccola quantità di gas rubidio e conclude in una camera a vuoto, dove raffreddato a poche miliardesimi di kelvin allo zero assoluto, causando loro di formare un condensato di Bose-Einstein.
La squadra poi ha messo questo condensato in un dispositivo con due camere di risonanza ottiche, ciascuna costituita da due piccoli specchi opposti. Utilizzando alcuni laser, le particelle hanno eventualmente adottato una struttura regolare cristallina, indicativa di un solido.
Ma la condensa ha anche conservato le sue proprietà superfluide – in grado di fluire senza apporto di energia, che non è possibile in un normale solido.
“Siamo stati in grado di produrre questo stato speciale in laboratorio grazie ad una configurazione sofisticata che ci ha permesso di fare le due camere di risonanza identico per gli atomi”, ha spiegato a Phys.org uno dei membri del Politecnico federale di Zurigo, Tilman Esslinger.
Il team del MIT ha avuto un approccio differente – utilizzando una combinazione di metodi laser e di raffreddamento evaporativo per trasformare atomi di sodio in un condensato di Bose-Einstein.
Hanno quindi utilizzato laser per manipolare anche in una disposizione solida cristallino creando variazioni di densità negli atomi.
Anche se il processo era diverso, il risultato finale era lo stesso della squadra svizzera – materia solida che scorreva come un superfluido.
Il fatto che i risultati è stata verificata da due squadre allo stesso tempo rende ancora più convincente che queste supersolido sono il vero affare.
“E ‘certamente il primo caso in cui è possibile senza ambiguità osservare un sistema e dire che questo è sia un superfluido e un solido,” – aveva dichiarato nel mese di novembre a Science News Sarang Gopalakrishnan, della City University di New York, che non era coinvolta nella ricerca.
E ‘probabile che ci sarà ora un nuovo ciclo di test e la verifica indipendente, per fare in modo che ciò che è stato prodotto può davvero essere definito un supersolido.
C’è l’argomento che, poiché il team ha utilizzato di Bose-Einstein condensati invece di elio-4 per creare lo stato della materia, potrebbe essere visto come ‘barare’. Ma è sicuramente la nostra prova più convincente fino ad oggi l’esistenza supersolido.
Che cosa fa un potenziale nuovo stato della materia per il resto? In questo momento, non molto. Il fatto che questi materiali possano esistere solo a temperature estremamente basse in condizioni ultra-vuote significa che non sono molto utili in questo momento.
Ma una maggiore comprensione dello strano stato della materia potrebbe portare a miglioramenti nei superconduttori – materiali incredibilmente utili che conducono l’elettricità senza resistenza.
“Con i nostri atomi freddi, stiamo tracciando ciò che è possibile in natura”, ha detto Ketterle.
“Ora che abbiamo dimostrato sperimentalmente che le teorie che predicono supersolido sono corrette, speriamo di ispirare ulteriori ricerche, possibilmente con risultati imprevisti.”
Nonostante il fatto che due squadre hanno entrambe realizzate questa affermazione contemporaneamente potrebbe sembrare competitivo, la realtà è che entrambi i gruppi di ricerca accolgono la convalida e feedback tra loro.
“La realizzazione simultanea da due gruppi mostra quanto è grande l’interesse è in questa nuova forma di materia”, ha aggiunto Ketterle.
I due documenti sono stati pubblicati su Nature qui e qui .
