Negli ultimi anni, alcuni materiali sono diventati terreno di prova per i fisici. Questi materiali non sono fatti esattamente di niente di speciale: particelle ordinarie, protoni, neutroni ed elettroni. Ma sono più della semplice somma delle loro parti. Questi materiali hanno un'intera gamma di proprietà e fenomeni interessanti, e talvolta hanno persino portato i fisici a nuovi stati della materia, oltre a solido, gassoso e liquido, che abbiamo conosciuto fin dall'infanzia.
Un tipo di materiale di cui i fisici sono particolarmente preoccupati è l'isolante topologico e, più in generale, le fasi topologiche, le cui basi teoriche hanno portato i loro inventori al Premio Nobel nel 2016. Sulla superficie di un isolante topologico, gli elettroni fluiscono senza intoppi, ma all'interno sono immobili. La superficie è come un conduttore metallico e l'interno è come un isolante ceramico. Gli isolanti topologici hanno attirato l'attenzione per la loro straordinaria fisica, nonché per le loro potenziali applicazioni nei computer quantistici e nei cosiddetti dispositivi spintronici che utilizzano lo spin degli elettroni e la loro carica.
Questo comportamento esotico non è sempre ovvio. "Non si può semplicemente dire questo, guardando un materiale nel senso tradizionale, indipendentemente dal fatto che abbia o meno questo tipo di proprietà", afferma Frank Wilczek, fisico del Massachusetts Institute of Technology e premio Nobel per la fisica nel 2004.
Cos'altro è un'atmosfera quantistica?
Si scopre che molti materiali apparentemente ordinari possono contenere proprietà nascoste, ma insolite e, possibilmente, utili. In un articolo pubblicato di recente, Vilchek e Kin-Dong Zhang, un fisico dell'Università di Stoccolma, hanno proposto un nuovo modo per esplorare tali proprietà: studiando l'aura sottile che circonda il materiale. L'hanno chiamata atmosfera quantistica.
Questa atmosfera potrebbe rivelare alcune delle proprietà quantistiche fondamentali del materiale che i fisici potrebbero quindi misurare. Se confermato dagli esperimenti, questo fenomeno non sarà solo una delle poche manifestazioni macroscopiche della meccanica quantistica, dice Wilchek, ma diventerà anche un potente strumento per la ricerca di nuovi materiali.
"Se mi chiedessi se qualcosa del genere potrebbe accadere, direi che l'idea ha un senso", dice Taylor Hughes, un teorico della materia condensata presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. E aggiunge: "Immagino che l'effetto sarà molto debole". Nella loro nuova analisi, tuttavia, Zhang e Vilchek hanno calcolato che, in linea di principio, l'effetto atmosferico quantistico sarebbe compreso nell'intervallo rilevabile.
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Inoltre, osserva Wilchek, tali effetti potrebbero essere rilevati molto presto.
Area di impatto
L'atmosfera quantistica, spiega Wilczek, è una sottile zona di influenza attorno a un materiale. Dalla meccanica quantistica deriva che il vuoto non è completamente vuoto; è pieno di fluttuazioni quantistiche. Ad esempio, se si prendono due piastre scariche e le si posizionano una accanto all'altra nel vuoto, solo le fluttuazioni quantistiche con lunghezze d'onda inferiori alla distanza tra le piastre possono comprimersi tra di loro. Ma dall'esterno, le fluttuazioni di tutte le lunghezze d'onda cadranno sulle piastre. Ci sarà più energia all'esterno che all'interno, il che farà sì che la forza combinata schiacci insieme le piastre. Questo è l'effetto Casimir ed è simile all'effetto dell'atmosfera quantistica, dice Wilczek.
Proprio come una piastra percepisce una forza più forte mentre si avvicina a un'altra, una sonda ad ago sentirà l'effetto dell'atmosfera quantistica mentre si avvicina a un materiale. "È come un'atmosfera normale", dice Wilchek. "Più ti avvicini, maggiore sarà il suo impatto." E la natura di questo impatto dipende dalle proprietà quantistiche del materiale stesso.
L'antimonio può fungere da isolante topologico - materiale che funge da isolante ovunque tranne che sulla superficie.
Queste proprietà possono essere molto diverse. Alcuni materiali agiscono come universi separati con le proprie leggi fisiche, come se fossero nel multiverso dei materiali. "Un'idea molto importante nella moderna fisica della materia condensata è che abbiamo materiali a nostra disposizione - diciamo, isolanti topologici - all'interno dei quali ci sono diversi set di regole", dice Peter Armitage, un fisico della materia condensata alla Johns Hopkins University.
Alcuni materiali agiscono come monopoli magnetici: punti magnetici con un polo nord ma senza polo sud. I fisici hanno anche scoperto le cosiddette quasiparticelle e quasiparticelle di carica elettrica frazionaria, che agiscono come la propria antimateria e possono annichilarsi.
Se proprietà esotiche simili esistessero in altri materiali, potrebbero rivelarsi in atmosfere quantistiche. È possibile scoprire tutta una serie di nuove proprietà semplicemente sondando le atmosfere dei materiali, afferma Wilchek.
Per dimostrare la loro idea, Zhang e Wilchek si sono concentrati su un insieme insolito di regole - l'elettrodinamica degli assioni - che può portare a proprietà uniche. Wilchek ha elaborato questa teoria nel 1987 per dimostrare come un'ipotetica particella chiamata assione potrebbe interagire con l'elettricità e il magnetismo. (In precedenza, i fisici avevano proposto un assione per risolvere uno dei più grandi misteri della fisica: perché le interazioni che coinvolgono una forza forte rimangono le stesse se le particelle vengono sostituite da antiparticelle e riflesse in uno specchio, preservando la simmetria di carica e parità (simmetria CP). Fino a quel giorno nessuno ne aveva trovata conferma dell'esistenza degli assioni, anche se non molto tempo fa c'è stato un crescente interesse per loro come candidati per la materia oscura.
Sebbene queste regole non funzionino nella maggior parte dei luoghi dell'universo, si manifestano abbastanza all'interno di un materiale, come un isolante topologico. "Il modo in cui i campi elettromagnetici interagiscono in queste nuove sostanze, gli isolanti topologici, è essenzialmente lo stesso come se interagissero con una raccolta di assioni", afferma Wilczek.
Difetti nei diamanti
Se un materiale come un isolante topologico obbedisce alle leggi dell'elettrodinamica assionale, la sua atmosfera quantistica può reagire a tutto ciò che lo attraversa. Zhang e Vilchek hanno calcolato che un tale effetto sarebbe simile alla manifestazione di un campo magnetico. In particolare, hanno scoperto che se metti un particolare sistema di atomi o molecole nell'atmosfera, i loro livelli di energia quantistica cambiano. Gli scienziati possono misurare la variazione di questi livelli utilizzando metodi di laboratorio standard. "È un'idea insolita ma interessante", afferma Armitage.
Uno di questi potenziali sistemi è una sonda di diamante con i cosiddetti posti vacanti sostituiti dall'azoto (centri NV). Un centro NV è una sorta di difetto nella struttura cristallina di un diamante, quando un atomo di carbonio di un diamante viene sostituito da un atomo di azoto e un posto vicino all'azoto rimane vuoto. Lo stato quantistico di un tale sistema è altamente sensibile, il che consente ai centri NV di rilevare anche i campi magnetici più deboli. Questa proprietà li rende sensori potenti che possono essere utilizzati per un'ampia varietà di scopi in geologia e biologia.
L'articolo di Zhang e Vilchek, che hanno presentato a Physical Review Letters, descrive solo l'influenza atmosferica quantistica derivata dall'elettrodinamica assionica. Per determinare quali altre proprietà influenzano l'atmosfera, dice Wilchek, è necessario eseguire altri calcoli.
Rompere la simmetria
In sostanza, le proprietà rivelate dalle atmosfere quantistiche sono rappresentate dalle simmetrie. Le varie fasi di una sostanza e le proprietà ad esse corrispondenti possono essere rappresentate sotto forma di simmetrie. In un cristallo solido, ad esempio, gli atomi sono disposti in un reticolo simmetrico che si sposta o ruota per formare modelli cristallini identici. Quando lo riscaldi, i legami si rompono, la struttura reticolare collassa, il materiale perde la sua simmetria e diventa liquido in un certo senso.
I materiali possono rompere altre simmetrie fondamentali, come la simmetria temporale reciproca, che segue la maggior parte delle leggi della fisica. I fenomeni possono essere diversi se li rifletti in uno specchio e rompi la simmetria di parità.
Se queste simmetrie possono essere interrotte nel materiale, allora potremmo osservare transizioni di fase precedentemente sconosciute e proprietà potenzialmente esotiche. Il materiale con una certa rottura di simmetria causerà la stessa rottura in una sonda che attraversa l'atmosfera quantistica, dice Wilczek. Ad esempio, in una sostanza che segue la termodinamica assionica, le simmetrie di tempo e parità sono interrotte, ma in combinazione non lo sono. Toccando l'atmosfera del materiale è possibile scoprire se e in che misura rompe la simmetria.
Wilchek dice di aver già discusso l'idea con gli sperimentatori. Inoltre, questi esperimenti sono abbastanza fattibili, anche non negli anni, ma in settimane e mesi.
Se tutto funziona, il termine "atmosfera quantistica" troverà un posto permanente nel lessico dei fisici. Wilczek aveva precedentemente coniato termini come assioni, anioni (quasiparticelle che possono essere utili per il calcolo quantistico) e cristalli temporali. Anche le atmosfere quantistiche possono persistere.
Ilya Khel
