Un team di ricercatori è riuscito per la prima volta a osservare una caratteristica fondamentale in un supersolido, fornendo una prova diretta dell'esistenza di questo stato estremo della materia che unisce rigidità e fluidità.
Nella nostra vita quotidiana, la materia può esistere in quattro stati classici: solido, liquido, gas e plasma.
Ma gli scienziati sono da tempo interessati ai cosiddetti stati “esotici” della materia, che si formano a temperature vicine allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), a livelli energetici molto elevati o a livelli di gravità e densità estremi come nei buchi neri.
In queste condizioni la materia presenta proprietà fisiche o comportamenti molto diversi da quelli osservati negli stati classici.
Pertanto, i fluidi normali (liquidi e gas) hanno una resistenza maggiore o minore al flusso, chiamata viscosità: ad esempio, l'olio è più viscoso dell'acqua.
I superfluidi non hanno viscosità: scorrono senza perdita di energia, il che permette loro di circolare indefinitamente in un contenitore senza rallentare.
Più di 50 anni fa, i fisici predissero l’esistenza di uno stato supersolido. In esso la materia esibisce sia le proprietà di un solido classico, con struttura cristallina, sia di un superfluido, dove una frazione degli atomi scorre senza viscosità attraverso la rete solida.
– Stelle di neutroni –
La struttura cristallina di questi supersolidi era già stata fotografata, ma fino ad ora la loro superfluidità era stata dedotta solo da varie osservazioni.
«Al nostro lavoro mancava ancora l'osservazione diretta di una delle proprietà caratteristiche e fondamentali della superfluidità: il flusso senza rotazione», sottolinea Francesca Ferlaino, che ha guidato la ricerca pubblicata mercoledì su Nature.
“Immaginate di prendere una tazza di caffè e di farla girare leggermente con un cucchiaio. Vedrete il caffè ruotare attorno al centro, un classico esempio di vortice in un fluido normale”, ha affermato il fisico dell'Università di Innsbruck (). Austria).
Se sostituiamo il caffè con un superfluido, non gira con il cucchiaino, rimane perfettamente immobile come se nulla lo avesse disturbato.
“Tuttavia, se si fa girare il cucchiaio più velocemente, invece di formare un grande vortice al centro, iniziano ad apparire una serie di vortici più piccoli (chiamati vortici quantizzati). Questi sono come piccoli fori nel fluido, ciascuno dei quali ruota ad una velocità specifica, che sono organizzati in bellissimi motivi regolari sulla superficie del superfluido, quasi come i buchi in un pezzo di formaggio svizzero”, continua la Ferlaino.
Il suo team è riuscito a creare e osservare questi vortici quantificati in laboratorio. Un’impresa particolarmente difficile da realizzare.
Nel 2021, il team di Innsbruck era già riuscito a creare un supersolido a lunga vita, raffreddando alcuni atomi e molecole a temperature molto basse.
Abbiamo quindi dovuto trovare un modo per agitare questo supersolido senza distruggerne lo stato fragile. I ricercatori hanno utilizzato campi magnetici per farlo girare con attenzione. Ciò ha portato alla formazione di vortici quantizzati.
Questo lavoro fornisce “una prova forte e diretta della duplice natura di uno stato supersolido”, sottolinea la Ferlaino.
Permetteranno inoltre di osservare in laboratorio fenomeni fisici che in natura si verificano solo in condizioni estreme.
Come ricreare ciò che accade nel cuore delle stelle di neutroni, queste stelle estremamente dense e compatte nate dal collasso di stelle massicce.
“Si presume che le variazioni della velocità di rotazione delle stelle di neutroni – chiamate glitch – siano causate da superfluidi intrappolati all'interno. La nostra piattaforma offre l'opportunità di simulare tali fenomeni qui sulla Terra”, spiega il ricercatore Thomas Bland, che ha partecipato allo studio un comunicato stampa.
