Visto nuovo stato della materia, mai osservato finora

25.05.2016 00:00

E' STATO osservato per la prima volta un misterioso nuovo stato della materia previsto circa 40 anni fa. Si chiama liquido di spin quantistico e porta le particelle che attualmente sono considerate i mattoni della materia, gli elettroni, a comportarsi come se fossero rotti in "frammenti" e ad avere struttura magnetica mai vista in natura. Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Materials,promette di avvicinare la realizzazione dei futuri computer quantistici, enormemente più potenti dei computer attuali.


Questo bizzarro stato della materia era stato previsto nel 1973 dal Nobel Philip Warren Anderson. Adesso è riuscito a osservarlo il gruppo di ricerca internazionale coordinato dagli Stati Uniti, con gli Oak Ridge National Laboratory. "Finora la fase della materia predetta da Anderson non era mai stata riprodotta sperimentalmente ed è un risultato importante perchè è stato osservato un fenomeno diverso da qualsiasi altro presente in natura", ha commentato il fisico Pasquale Calabrese, della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa) di Trieste. Un primo passo importante in questa direzione, ha proseguito l'esperto, era stato fatto negli ultimi anni dalle università europee di Cambridge e Dresda, che hanno avuto il merito di individuare dove andare a cercare il nuovo fenomeno.

Il materiale nel quale è stato visto per la prima volta si chiama cloruro di rutenio (RuCl3) ed è sottilissimo al punto da poter essere considerato a solo due dimensioni. Tutti i materiali tendono a formare strutture ordinate: in presenza di un campo magnetico, per esempio, gli elettroni (paragonabili a microscopiche barrette magnetiche) si orientano tutti nella stessa direzione. In un liquido di spin quantistico, invece, le cose funzionano diversamente: anche se il materiale viene raffreddato fino ad avvicinarsi allo zero assoluto, gli elettroni,  con le loro "barre magnetiche", continuano a formare una sorta di 'zuppa' caotica: non si allineano mai e ognuna fa quello che vuole. La loro natura li rende particolarmente adatti per chi da anni lavora alla realizzazione di computer quantistici: negli attuali microchip le informazioni vengono immagazzinate sotto forma di 0 e di 1, un sistema che ha dimostrato di funzionare bene ma che permette di processare un limitato numero di informazioni. La vera rivoluzione che trasformerà i computer rendendoli enormemente più veloci e potenti sarà trovare materiali capaci di assumere lo stato 0, lo stato 1 o entrambi allo stesso tempo. Il liquido di spin quantistico si candida a essere il silicio del futuro.


(Immagine: Mehau Kulyk/Getty Images)

Si chiama liquido di spin quantistico. Era stato previsto teoricamente 40 anni fa e, come spesso accade nella fisica (vedi bosone di Higgs onde gravitazionali, per esempio), c'è voluto parecchio tempo per osservarlo sperimentalmente. Si tratta di un nuovo stato della materia, in cui gli elettroni appaiono frammentati, la cui esistenza è stata appena provata da un'équipe di fisici della University of Cambridge. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials.

I ricercatori, in particolare, hanno osservato le prime improntelasciate dalle misteriose particelle che costituiscono il nuovo stato della materia, i cosiddetti fermioni di Majorana, in un materiale bidimensionale dalla struttura simile a quella del grafene. I liquidi di spin quantistico erano stati previsti, nel 1973, da Philip Warren Anderson, premio Nobel per la fisica: "Finora, la fase della materia predetta da Anderson", ha commentato all'AnsaPasquale Calabrese, fisico della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa) di Trieste, "non era mai stata riprodotta sperimentalmente ed è un risultato importante perché è stato osservato un fenomeno diverso da qualsiasi altro presente in natura". I risultati dell'esperimento, dicono gli autori della ricerca, sono in buon accordo con uno dei principali modelli teorici che descrivono lo stato della materia, il cosiddetto modello di Kitaev.

La proprietà principale - e più intrigante - dei liquidi di spin quantistici è il frazionamento degli elettroni. In un liquido di spin quantistico, a differenza di un materiale tradizionale, che tende a formare strutture ordinate (i reticoli cristallini, per esempio), i campi magnetici si comportano in modo completamente disordinato, anche se portato a temperature vicine allo zero assoluto.  Le particelle risultanti dal frazionamento degli elettroni, inoltre, potrebbero essere utilizzate per costruire i mattoncinifondamentali dei computer quantistici, macchine enormemente più veloci di quelle tradizionali e in grado di compiere operazioni finora ritenute impossibili: "Si tratta di un passo importantissimo nella comprensione del mondo quantistico", ha spiegato Dmitry Kovrishin, uno degli autori della ricerca. "Avere preparato e osservato un nuovo stato quantistico ci darà la possibilità di provare tanti nuovi scenari sperimentali del tutto inesplorati

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