Cos'è la luce? Sembra una domanda semplice, ma è uno che ha occupato per secoli alcune delle migliori menti scientifiche.

Ora, uno studio collaborativo con scienziati dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ha aggiunto un'altra svolta alla storia, trasformare una teoria astratta sulle proprietà quantistiche dei magneti in un'ipotesi verificabile su un nuovo tipo di luce.

Da quando Isaac Newton rifranse la luce attraverso i prismi nel 1672, gli scienziati sono stati divisi sul fatto che la luce sia costituita da particelle o onde. La luce sembra viaggiare in linea retta, come ci si aspetterebbe da una particella, ma gli esperimenti di Newton hanno mostrato che ha anche frequenza e lunghezza d'onda, come onde sonore.

Quasi 200 anni dopo, il fisico scozzese James Clerk Maxwell ha fornito una parte della risposta, quando si rese conto che la luce era composta da campi elettrici e magnetici fluttuanti. Fu solo nel 20esimo secolo attraverso il lavoro di Einstein, che finalmente si comprese che la luce era costituita da particelle fondamentali chiamate fotoni, che agiscono sia come particelle che come onde.

Questa scoperta ha contribuito a ispirare la nuova scienza della meccanica quantistica, che descrive il comportamento della materia e dell'energia a livello atomico e subatomico.

Più recentemente, alla fine del XX secolo, i fisici iniziarono ad esplorare un fenomeno chiamato emergenza. Proprio come il comportamento di grandi gruppi di persone può differire da quello di ogni singolo membro del gruppo, l'emergenza descrive come le particelle in grandi gruppi possono comportarsi in modi inaspettati, rivelando nuove leggi della fisica o fornendo un nuovo contesto per quelle vecchie. Una domanda che veniva posta era, "Potrebbe esserci una cosa come la luce emergente?"

Questo ci porta al professor Nic Shannon dell'OIST, Han Yan, un dottorato di ricerca studente nella sua Teoria della Materia Quantistica Unit, e i loro colleghi in Svizzera e negli Stati Uniti. Il loro lavoro recente è incentrato su una strana famiglia di sistemi magnetici noti come spin ice, che sfuggono a tutte le forme convenzionali di ordine magnetico e aprono invece una finestra sul mondo quantistico.

Nei magneti convenzionali come quelli del tuo frigorifero, gli atomi magnetici producono un minuscolo campo magnetico e lavorano insieme per generare campi magnetici molto più grandi che consentono loro di "attaccarsi" agli oggetti metallici. Ciò è possibile perché i minuscoli campi magnetici associati a ciascun diverso atomo nel magnete si ordinano da soli in modo che puntino nella stessa direzione.

Nel ghiaccio rotante, però, gli atomi non si ordinano magneticamente, ma lavorano ancora insieme per produrre un campo magnetico che fluttua su scala atomica.

Recentemente, i ricercatori si sono resi conto che gli effetti quantistici a basse temperature possono introdurre un campo elettrico emergente nel ghiaccio spin, con una conseguenza sorprendente:i campi elettrici e magnetici emergenti si combinano per produrre eccitazioni magnetiche che si comportano esattamente come fotoni di luce.

"Si comporta come la luce, ma non puoi vederlo con i tuoi occhi, " ha detto il professor Shannon "Immagina che il cristallo di ghiaccio rotante sia un minuscolo universo con le sue leggi della natura, e tu sei fuori a guardare dentro. Come potresti capire cosa sta succedendo dentro.

Nel 2012 il Prof. Shannon e il suo allora Ph.D. lo studente Owen Benton ha proposto un modo per rilevare la luce all'interno di un ghiaccio con spin quantistico facendo rimbalzare i neutroni sugli atomi magnetici all'interno del cristallo. Hanno predetto una firma caratteristica nel modo in cui il cristallo assorbe l'energia dei neutroni, che segnala la presenza dell'elettrodinamica emergente di un ghiaccio di spin quantistico.

Ora, in un articolo pubblicato su Fisica della natura , gli autori riferiscono di aver osservato questa firma in un materiale chiamato praseodimio afnato (Pr2Hf2O7).

Trovare le firme della luce emergente in un materiale reale si è rivelato molto impegnativo, poiché richiedeva di lavorare a temperature fino a 50 milikelvin, meno di un decimo di grado sopra lo zero assoluto, con cristalli privi di sporco e imperfezioni.

Un gruppo di ricerca guidato dal Dr. Romain Sibille del Paul Scherrer Institut (PSI) in Svizzera, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Warwick nel Regno Unito, riuscirono a generare un cristallo perfetto di un materiale di ghiaccio con spin quantistico con cui poter finalmente verificare l'ipotesi.

"È bellissimo, come una pietra preziosa, " ha detto il professor Shannon, "ed è incredibile pensare che sia tutto un grande cristallo senza imperfezioni".

Sibille portò questo cristallo all'European Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble, Francia, così come l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee, STATI UNITI D'AMERICA, utilizzare gli spettrometri di neutroni appositamente sviluppati da queste strutture.

In un esperimento estremamente impegnativo, Il team di Sibille ha utilizzato una serie di 960 superspecchi rivestiti di ferro, cobalto, e leghe di vanadio che potrebbero riflettere selettivamente diversi tipi di neutroni, qualcosa che la sua istituzione di origine PSI ha sviluppato, e ha utilizzato lo strumento HYSPEC (ORNL) per ottenere un'analisi 3D dei loro modelli di riflessione.

In combinazione con una mappatura completa dei neutroni diffusi utilizzando lo strumento IN5 (ILL), questo ha permesso loro di misurare la polarizzazione delle particelle disperse e mappare le firme energetiche prodotte da quelle particelle".

La teoria del dottor Benton e del professor Shannon aveva una strana somiglianza con le mappe energetiche sperimentali. La rappresentazione grafica della riflessione dei neutroni mostrava i cosiddetti punti di pizzico, che sono caratteristiche di un ghiaccio di spin quantistico. Quando lo spin ice è stato scansionato a basse temperature, i punti di pizzicamento scomparivano in un modo che suggeriva fortemente la luce emergente.

Yan ha lavorato sulla teoria e ha analizzato i dati sperimentali per determinare la velocità della luce emergente, un modesto 3,6 m al secondo, veloce quanto chi corre una maratona in quattro ore. I fotoni della luce normale, del tipo sotto cui potresti prendere il sole, potrebbero coprire la stessa distanza in meno di un millesimo di secondo.

"Per me è molto bello che questo materiale si comporti come un mini-universo con la propria luce e particelle cariche", ha detto Han.

"Attualmente, non conosciamo alcun modo per spiegare questi risultati senza invocare la meccanica quantistica, " ha detto il professor Shannon, "quindi sembra davvero che abbiamo visto una luce emergente".