Avete mai sentito un materiale che si chiama quasicristallo e che è anche supefluido? E di un materiale sia ordinato che disordinato, che ha un comportamento intermedio fra quello classico e quello quantistico? Si tratta di due nuovi stati della materia, che si vanno ad aggiungere a quelli classici e più noti, come lo stato solido, liquido, aeriforme (e poi c’è anche il plasma quantistico). Queste scoperte sono frutto degli studi di due diversi gruppi di ricerca in fisica, una disciplina che regala sempre nuove opportunità – spesso bizzarre o – di conoscere il mondo, dall’infinitamente piccolo al gigantesco. Ecco di che cosa si tratta.
I “quasicristalli superfluidi”
Questo stato della materia è stato teorizzato oggi da un gruppo di ricerca della University of Texas a Dallas, che ha pubblicato i risultati su Physical Review Letters. Già dal nome, un superfluido è un materiale del tutto inusuale, in cui un liquido, raffreddato a temperature bassissime, riesce a fluire velocemente e in maniera super e non è per niente viscoso.
Per esempio, se il nostro caffè fosse superfluido, non smetterebbe di agitarsi anche molto tempo dopo che lo abbiamo mescolato con il cucchiaino, come se non vi fosse attrito con la tazzina. In questo caso, però, il superfluido è anche un quasicristallo. In generale, un cristallo – per esempio il sale – è una struttura solida in cui gli atomi si dispongono in maniera regolare e ripetuta (periodica), come su una scacchiera, in tre dimensioni.
Anche in questo caso, già dal nome si intuisce che il quasicristallo assume un comportamento simile a quello di un cristallo: la struttura è somigliante, ma la disposizione degli atomi non è così regolare, cioè non si ripete periodicamente.
In questo caso, però, il quasicristallo è anche superfluido, dunque il solido acquista proprietà che appartengono ad un liquido. Ma come può un solido essere anche fluido? La risposta è “con la quantistica”, in cui le barriere della fisica classica possono spesso essere superate. I ricercatori, infatti, hanno teorizzato un nuovo stato esotico della materia, rappresentato dall’incontro fra la superfluidità e la solidità del quasicristallo. Per ora si tratta di una teoria, anche se ben strutturata. “La buona notizia”, spiega il fisico Chuanwei Zhang, fra gli autori dello studio “è che non sarebbe necessario inventare nessuna nuova tecnologia per realizzare questo materiale”. Oltre ad essere nuovo, potrebbe avere proprietà interessanti per comprendere meglio tutte le proprietà della materia e anche per applicazioni (basti pensare alle caratteristiche dei supefluidi, sfruttate nei refrigeratori cosiddetti a diluizione).
Trovare un ordine nel disordine
I “dottori dello spin”, i fisici del Los Alamos National Laboratory, hanno individuato un nuovo stato della materia, basato su un materiale artificiale ordinato, il ghiaccio di spin, che di fatto è un sistema della fisica classica – quella che descrive tutti i fenomeni naturali e macroscopici che conosciamo (per esempio le leggi della caduta dei gravi e la termodinamica). Tuttavia, in questo caso il materiale “classico” segue le regole della fisica quantistica – la quale rientra nella cosiddetta fisica moderna – che descrive ciò che avviene nel mondo invisibile degli atomi e delle particelle e che ha regole tutte proprie e diverse da quelle della fisica classica. I risultati sono pubblicati su Nature Physics e disponibili per intero su ArXiv. Insomma, il nuovo stato della materia sarebbe una sorta di ibrido, a metà fra questi due mondi.
Un ghiaccio di spin è un materiale particolare, esistente anche in natura (come il minerale titanite), che alle bassissime temperature mostra un comportamento simile al ghiaccio. Solitamente, questo materiale è sensibili alle variazioni di temperatura e perde energia quando viene raffreddato. Nei ghiacci di spin costruiti dai ricercatori (con la geometria di Shakti), però, nonostante il raffreddamento, l’energia si manteneva costante. Questa caratteristica conferisce un elemento di disordine, che comporta una violazione delle leggi della fisica classica, in particolare di alcuni principi della termodinamica. La ragione si troverebbe in specifiche proprietà, chiamate topologiche, che rendono tali ghiacci un ibrido fra la fisica classica e la quantistica. Ed ora i ricercatori vogliono vedere se anche in natura esistono materiali del genere, dato che potrebbero avere importanti qualità, come un’elevata capacità di condurre corrente.
