Le caratteristiche peculiari dimostrate dai punti critici quantistici allo zero assoluto rimangono uno dei grandi misteri irrisolti della scienza.

Normalmente, è necessario un cambiamento di temperatura per vedere una transizione di fase:un liquido si raffredda, si congela; un metallo si riscalda, perde le sue proprietà magnetiche. Ma ci sono alcune transizioni di fase in cui la temperatura non può cambiare, perché si verificano proprio allo zero assoluto. I punti critici quantistici in cui avvengono tali transizioni sono stati oggetto di intense ricerche per molti anni, eppure sono ancora estremamente sconcertanti per i fisici quantistici.

Fino ad ora, Per esempio, non esiste un modello teorico completo per la superconduttività ad alta temperatura che si sospetta sia strettamente correlata ai punti critici quantistici, sebbene un tale modello possa generare molte utili applicazioni tecniche. Thomas Schäfer, Karsten Held e Alessandro Toschi dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien stanno lavorando per una migliore comprensione di questi fenomeni, pubblicando le loro nuove idee su questo campo nella rivista Lettere di revisione fisica .

Fluttuazioni:se può tremare, tremerà

"Le fluttuazioni termiche sono solitamente responsabili delle transizioni di fase, " spiega Thomas Schäfer. "Le singole particelle iniziano a tremare o ruotare, ad esempio, completamente a caso. Più alta è la temperatura, più pronunciate diventano queste fluttuazioni, che può portare a una transizione di fase, causando la fusione di un solido, Per esempio."

Man mano che si riduce la temperatura, le particelle si muovono sempre meno, fino a raggiungere lo zero assoluto, a quel punto non dovrebbero più muoversi. Così, si potrebbe supporre che la calma totale sarà stata ripristinata allo zero assoluto, poiché nulla è più in grado di cambiare ... ma non è così semplice.

"La fisica quantistica afferma che è impossibile per una particella essere completamente a riposo in una posizione specifica, "dice Alessandro Toschi. "Il principio di indeterminazione di Heisenberg ci dice che posizione e momento non possono essere accertati con assoluta precisione. Perciò, la posizione e la quantità di moto di una particella possono ancora cambiare allo zero assoluto, anche se le classiche fluttuazioni termiche non sono più presenti. Questi cambiamenti sono noti come fluttuazioni quantistiche".

Così, quando fa troppo freddo per i classici movimenti di scuotimento, la fisica quantistica assicura che possano ancora accadere cose fisicamente interessanti. Ed è proprio per questo che le transizioni di fase allo zero assoluto sono così infinitamente affascinanti.

Momento ed energia

"Ciò che è cruciale per il comportamento delle particelle è il modo in cui la loro quantità di moto si relaziona all'energia, " dice Thomas Schäfer. Per una palla lanciata in aria, la correlazione è semplice:maggiore è lo slancio, maggiore è l'energia cinetica. L'energia aumenta con il quadrato della quantità di moto. Ma per le particelle in un solido, questa relazione è molto più complicata, e può sembrare molto diverso, a seconda della direzione in cui si muove la particella. Perciò, questa connessione è modellata utilizzando 'superfici di Fermi', che sono in grado di assumere forme tridimensionali complesse.

"Fino ad ora, si pensava che la forma di queste superfici di Fermi non fosse significativa in termini di transizioni di fase quantistiche, ", afferma Karsten Held. "Siamo stati in grado di dimostrare che non è così. Solo se si tiene conto della forma è possibile calcolare con precisione determinati effetti fisici, ad esempio il modo in cui le proprietà magnetiche di un materiale cambiano quando si avvicina allo zero assoluto."

Ora i ricercatori sperano di utilizzare questo nuovo strumento per descrivere meglio i materiali quantistici critici e forse far luce su alcuni dei grandi misteri che la scienza dei materiali ha lavorato duramente per risolvere per così tanti anni.