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Inserito il - 08/10/2018 : 09:41:39
Le "atmosfere quantistiche" possono rivelare i segreti della materia
06 ottobre 2018
Una nuova teoria prevede che le proprietà quantistiche di un oggetto si estendano a una sorta di atmosfera che circonda un materiale. L'analisi di questa atmosfera quantistica con piccole sonde potrebbe far emergere proprietà nascoste, ma insolite e forse utili in materiali apparentemente ordinari
di Marcus Woo/QuantaMagazine
Negli ultimi anni, alcuni materiali si sono rivelati l’equivalente di una specie di parco giochi per fisici. Questi materiali non sono composti da nulla di speciale: solo normali particelle come protoni, neutroni ed elettroni. Ma sono più della somma delle loro parti. Vantano una serie di proprietà e fenomeni notevoli e hanno addirittura portato i fisici a nuove fasi della materia che si affiancano alla fase solida, gassosa e liquida con cui siamo più familiari.
Una classe di materiali che entusiasma particolarmente i fisici è quella degli isolanti topologici e, più in generale, le fasi topologiche, le cui basi teoriche sono valse ai loro scopritori un premio Nobel nel 2016.
Sulla superficie di un isolante topologico, gli elettroni fluiscono senza ostacoli, mentre all’interno sono immobili. La sua superficie è quindi un conduttore simile ai metalli, mentre il suo interno è un isolante simile alle ceramiche.
Gli isolanti topologici hanno attirato l’attenzione per la loro fisica insolita e per il loro potenziale uso nei computer quantistici e nei cosiddetti dispositivi spintronici, che usano sia gli spin degli elettroni sia la loro carica.
Ma questi comportamenti esotici non sono sempre evidenti. “Guardando il materiale in modo convenzionale non è facile dire se ha questo tipo di proprietà”, ha detto Frank Wilczek, fisico al Massachusetts Institute of Technology e vincitore del Nobel per la fisica nel 2004.
Questo significa che una serie di materiali apparentemente ordinari potrebbero ospitare proprietà nascoste, ma insolite e forse utili. In un articolo recentemente pubblicato on line, Wilczek e Qing-Dong Jiang, fisico all’Università di Stoccolma, propongono un nuovo modo per scoprire quelle proprietà: sondando un’aura sottile che circonda il materiale, che hanno soprannominato “atmosfera quantistica”.
Alcune proprietà quantistiche fondamentali di un materiale potrebbero manifestarsi in questa atmosfera, che i fisici potrebbero poi misurare. Se fosse confermato sperimentalmente, questo fenomeno non solo sarebbe una delle poche conseguenze macroscopiche della meccanica quantistica, ha sottolineato Wilczek, ma potrebbe essere un potente strumento per esplorare una schiera di nuovi materiali.
“Se mi avessero chiesto se fosse possibile qualcosa del genere, avrei detto che sembra un’idea ragionevole”, ha detto Taylor Hughes, teorico della materia condensata all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign. Tuttavia, ha aggiunto, “immagino che l’effetto sia molto piccolo”.
Nella nuova analisi, però, Jiang e Wilczek hanno calcolato che in linea di principio un effetto quanto-atmosferico sarebbe entro l’intervallo di rilevabilità. Non solo, dice Wilczek, ma la rilevazione di questi effetti potrebbe essere a portata di mano prima o poi (più prima che poi).
Una zona d’influenza
Un’atmosfera quantistica, ha spiegato Wilczek, è una sottile zona di influenza intorno a un materiale.
Secondo la meccanica quantistica, un vuoto non è completamente vuoto; piuttosto, è pieno di fluttuazioni quantistiche. Per esempio, se si prendono due piastre non cariche elettricamente e le si mettono insieme nel vuoto, tra di loro possono trovare spazio solo fluttuazioni quantistiche con lunghezze d’onda più piccole rispetto alla distanza tra le piastre. All’esterno delle piastre, però, possono manifestarsi fluttuazioni di tutte le lunghezze d’onda. L’energia esterna sarà così maggiore rispetto a quella interna, e la conseguente forza netta spingerà le piastre una verso l’altra. Questo fenomeno, chiamato effetto Casimir, è simile all’influenza di un’atmosfera quantistica, ha detto Wilczek.
Come una lastra sente una forza più forte mentre si avvicina a un’altra, allo stesso modo una sonda ad ago sentirebbe un effetto dell’atmosfera quantistica mentre si avvicina a un materiale. “È proprio come una qualsiasi atmosfera”, ha detto Wilczek. “Ci si avvicina e si comincia a vederne l’influenza”. E la natura di questa influenza dipende dalle proprietà quantistiche del materiale stesso.
Queste proprietà possono essere straordinarie. Alcuni materiali agiscono come universi a sé stanti con proprie leggi fisiche, come se comprendessero quello che di recente è stato chiamato un multiverso dei materiali. “Un’idea importante nella moderna fisica della materia condensata è che siamo in possesso di questi materiali, per esempio un isolante topologico, che hanno insiemi differenti di regole al loro interno”, ha detto Peter Armitage, fisico della materia condensata alla Johns Hopkins University.
Alcuni materiali, per esempio, ospitano oggetti che agiscono come monopoli magnetici, cioè magneti puntiformi con un polo nord ma senza polo sud. I fisici hanno anche rilevato le cosiddette quasiparticelle con carica elettrica frazionaria e quasiparticelle che agiscono come propria antimateria, con la capacità di annientarsi.
Se in altri materiali esistono proprietà esotiche simili, potrebbero rivelarsi nelle atmosfere quantistiche. In linea di principio si potrebbe scoprire ogni sorta di nuova proprietà semplicemente sondando le atmosfere dei materiali, ha detto Wilczek.
Per dimostrare la loro idea, Jiang e Wilczek si sono concentrati su un insieme di regole non ortodosse chiamate elettrodinamica assionica, che potrebbero far emergere proprietà uniche. Nel 1987 Wilczek propose la teoria per descrivere come un’ipotetica particella chiamata assione interagisce con elettricità e magnetismo. (In precedenza i fisici avevano proposto l’assione come soluzione a una delle più grandi questioni irrisolte della fisica: perché le interazioni che coinvolgono la forza forte sono le stesse anche quando le particelle sono scambiate con le loro antiparticelle e riflesse in uno specchio, conservando la cosiddetta simmetria di carica e parità.) Finora nessuno ha trovato prove dell’esistenza degli assioni, anche se di recente hanno suscitato un rinnovato interesse come candidati per la materia oscura.
Queste regole non sembrano essere valide nella maggior parte dell’universo, si scopre però che possono entrare in gioco in un materiale come un isolante topologico. “I campi elettromagnetici interagiscono con questi nuovi tipi di materiali chiamati isolanti topologici fondamentalmente allo stesso modo in cui interagiscono con un insieme di assoni”, ha detto Wilczek.
Difetti del diamante
Se un materiale come un isolante topologico obbedisce all’elettrodinamica assionica, la sua atmosfera quantistica potrebbe indurre un effetto rivelatore su tutto quello che attraversa l’atmosfera. Jiang e Wilczek hanno calcolato che questo effetto sarebbe simile a quello di un campo magnetico. In particolare, hanno scoperto che se si colloca un qualche sistema di atomi o molecole nell’atmosfera, il suo livello di energia quantistica sarebbe alterato. Un ricercatore potrebbe quindi misurare questi livelli alterati con tecniche di laboratorio standard. “È un’idea non convenzionale ma piuttosto interessante”, ha detto Armitage.
Uno di questi possibili sistemi è una sonda con diamante permeato di cosiddetti centri di vacanza dell’azoto (o NV, da nitrogen-vacancy ). Un centro NV è un tipo di difetto nella struttura cristallina di un diamante dove alcuni atomi di carbonio sono sostituiti da atomi di azoto, e dove la posizione adiacente all’azoto è vuota. Lo stato quantico di questo sistema è altamente sensibile e permette ai centri NV di fiutare anche campi magnetici molto deboli. Questa proprietà li rende sensori molto potenti che possono essere usati in una varietà di applicazioni in geologia e biologia.
“È una bella dimostrazione di principio”, ha detto Hughes. Un’applicazione, ha aggiunto, potrebbe essere tracciare le proprietà di un materiale. Facendo passare un centro NV attraverso un materiale come un isolante topologico, è possibile determinare come le proprietà del materiale variano sulla superficie.
L’articolo di Jiang e Wilczek, che hanno inviato per una pubblicazione su “Physical Review Letters”, descrive in dettaglio solo l’influenza dell’atmosfera quantistica derivata dall’elettrodinamica assionica. Per determinare come altri tipi di proprietà influenzano un’atmosfera, ha detto Wilczek, bisognerebbe fare calcoli diversi.
Rompere le simmetrie
Fondamentalmente, le proprietà che le atmosfere quantistiche svelano sono simmetrie. Le diverse fasi della materia, e le proprietà tipiche di una fase, possono essere pensate in termini di simmetrie. In un cristallo solido, per esempio, gli atomi sono disposti in un reticolo simmetrico che si sposta o ruota per formare uno schema cristallino identico. Quando si applica calore, però, i legami si rompono, la struttura reticolare collassa e il materiale, diventato un liquido con proprietà nettamente diverse, perde la sua simmetria.
I materiali possono rompere altre simmetrie fondamentali come quella di inversione temporale a cui obbedisce la maggior parte delle leggi della fisica. Oppure i fenomeni possono essere diversi se guardati allo specchio, una violazione della simmetria di parità.
L’eventuale rottura di queste simmetrie in un materiale potrebbe indicare transizioni di fase precedentemente sconosciute e proprietà potenzialmente esotiche. Un materiale con certe simmetrie infrante indurrebbe le stesse violazioni in una sonda posta all’interno della sua atmosfera quantistica, ha detto Wilczek. Per esempio, in un materiale che rispetta l’elettrodinamica assionica sono infrante sia la simmetria temporale sia la simmetria di parità, ma non lo è la combinazione delle due. Sondando l’atmosfera di un materiale, si potrebbe capire se segue questo schema di rottura della simmetria e in che misura e, quindi, quali comportamenti bizzarri può avere.
“Alcuni materiali romperanno segretamente simmetrie che non conoscevamo e che non sospettavamo”, ha detto Wilczek. “Sembrano innocenti, ma in qualche modo nascondono un segreto”.
Wilczek ha detto di aver già parlato con sperimentatori interessati a testare l’idea. Inoltre, ha affermato, gli esperimenti dovrebbero essere facili da realizzare, e spera che possano essere effettuati non nel giro di anni, ma di settimane o mesi.
Se tutto andrà per il verso giusto, il termine “atmosfera quantistica” potrebbe trovare un posto permanente nel lessico della fisica. Wilczek ha coniato in precedenza termini come assioni, “anioni” (quasiparticelle che possono essere utili per il calcolo quantistico) e cristalli temporali, o di tempo (strutture che si muovono in modelli regolari e ripetitivi senza usare energia). Ha una buona esperienza nell’ideare nomi che abbiano presa, ha detto Armitage. “E ‘atmosfera quantistica’ ne è un altro buon esempio.”
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(L'originale di questo articolo è stato pubblicato il 25 settembre 2018 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)
https://www.quantamagazine.org/quantum-atmospheres-may-reveal-secrets-of-matter-20180925/
https://arxiv.org/abs/1809.01692
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