I ricercatori confermano l’esistenza della supersolidità

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Nella nostra vita quotidiana la materia può presentarsi in quattro stati classici: solido, liquido, gas e plasma.

Ma gli scienziati sono da tempo interessati ai cosiddetti “stati”esotico” materia, che si forma a temperature prossime 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.

“Immagina di prendere una tazza di caffè e di farla girare leggermente con un cucchiaio. Vedrai il caffè girare attorno al centro, un classico esempio di vortice in un fluido normale“, spiega 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 fai girare il cucchiaio più velocemente, invece di formare un grande vortice al centro, si formeranno una serie di vortici più piccoli (chiamati vortici quantizzati) cominciano ad apparire. Sono come piccoli fori nel fluido, ciascuno rotante a una velocità specifica, che si dispongono in bellissimi schemi regolari sulla superficie del superfluido, quasi come i fori in un pezzo di formaggio svizzero.“, continua M^Me 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 M^Me 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 nelle stelle di neutroni – chiamate glitch – siano causate da superfluidi intrappolati al loro interno. La nostra piattaforma offre l’opportunità di simulare tali fenomeni qui sulla Terra“, spiega il ricercatore Thomas Bland, che ha partecipato allo studio, in un comunicato stampa.

AFP/VNA/CVN