Quando la materia viene raffreddata vicino allo zero assoluto, emergono fenomeni intriganti. Questi includono la supersolidità, dove la struttura cristallina e il flusso senza attrito si verificano insieme. I ricercatori dell'ETH sono riusciti per la prima volta a realizzare sperimentalmente questo strano stato.

Solido, liquido o gas sono i tre stati chiaramente definiti della materia. È difficile immaginare che le sostanze possano esibire contemporaneamente le proprietà di due di questi stati. Ancora, proprio un tale fenomeno è possibile nel regno della fisica quantistica, dove la materia può mostrare comportamenti che sembrano escludersi a vicenda.

La supersolidità è un esempio di tale stato paradossale. In un supersolido, gli atomi sono disposti in modo cristallino e allo stesso tempo si comportano come un superfluido, in cui le particelle si muovono senza attrito.

Fino ad ora, la supersolidità era solo un costrutto teorico. Ma nell'ultimo numero di Natura , un gruppo di ricercatori guidati da Tilman Esslinger, professore di ottica quantistica presso l'Istituto per l'elettronica quantistica, e Tobias Donner, scienziato senior presso lo stesso istituto, segnalare la riuscita produzione di uno stato supersolido.

I ricercatori hanno introdotto una piccola quantità di gas rubidio in una camera a vuoto e l'hanno raffreddata a una temperatura di pochi miliardesimi di kelvin sopra lo zero assoluto, tale che gli atomi si sono condensati in quello che è noto come un condensato di Bose-Einstein. Questo è uno stato quantomeccanico peculiare che si comporta come un superfluido.

I ricercatori hanno posizionato questo condensato in un dispositivo con due camere di risonanza ottica che si intersecano, ciascuno costituito da due minuscoli specchi contrapposti. La condensa è stata quindi illuminata con luce laser, che era sparso in entrambe queste due camere. La combinazione di questi due campi luminosi nelle camere di risonanza ha fatto sì che gli atomi nel condensato adottassero un regolare, struttura cristallina. Il condensato ha mantenuto le sue proprietà superfluide:gli atomi nel condensato erano ancora in grado di fluire senza alcun apporto di energia, almeno in una direzione, che non è possibile in un solido "normale".

"Siamo stati in grado di produrre questo stato speciale in laboratorio grazie a una configurazione sofisticata che ci ha permesso di rendere identiche le due camere di risonanza per gli atomi, " spiega Esslinger.

Dal concetto teorico alla realtà sperimentale

Con il loro esperimento, i fisici del team di Esslinger e Donner hanno realizzato un concetto teorizzato da scienziati tra cui il fisico britannico David Thouless. Nel 1969, ipotizzò che un superfluido potesse anche avere una struttura cristallina. Considerazioni teoriche hanno portato alla conclusione che questo fenomeno potrebbe essere dimostrato più facilmente con l'elio raffreddato a pochi kelvin sopra lo zero assoluto. Nel 2004, un gruppo statunitense ha riferito di aver trovato prove sperimentali per un tale stato, ma in seguito attribuirono le loro scoperte agli effetti superficiali dell'elio. "Il nostro lavoro ha ora implementato con successo le idee di Thouless, " spiega Donner. "Non abbiamo usato l'elio, però, ma un condensato di Bose-Einstein."

Un secondo, studio indipendente sullo stesso argomento appare nello stesso numero di Natura :un gruppo di ricercatori guidati da Wolfgang Ketterle al MIT ha annunciato lo scorso autunno – poco dopo i ricercatori dell'ETH – di essere anche riuscito a trovare prove di supersolidità, utilizzando un diverso approccio sperimentale.