In genere, la materia esiste in tre forme distinte:come solido, un liquido o un gas. Precedenti ricerche di fisica, però, ha svelato altri curiosi stati della materia, uno dei quali è la supersolidità. In uno stato supersolido, le particelle sono disposte in un cristallo rigido e possono comunque fluire attraverso il solido senza alcun attrito. Sebbene ciò possa apparire contraddittorio, questo stato è consentito dalle leggi della meccanica quantistica.

Un team di ricercatori dell'Università di Aarhus in Danimarca ha recentemente condotto uno studio che esplora la supersolidità nei condensati dipolari di Bose-Einstein (BEC), stati della materia in cui atomi separati raffreddati quasi allo zero assoluto si uniscono in un'unica entità quantomeccanica. Il loro studio, in primo piano Lettere di revisione fisica , svelato un punto critico in cui avviene la cristallizzazione, ed emerge una nuova fase supersolida, che è caratterizzato da uno schema a nido d'ape regolare con superfluidità quasi perfetta.

"Congetturato più di 50 anni fa, la supersolidità è rimasta sfuggente alle osservazioni fino a poco tempo fa, dove una nuova promessa è data da esperimenti con gas di atomi molto diluiti che vengono raffreddati e intrappolati dalla luce laser a temperature prossime allo zero assoluto, "Thomas Pohl, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "In condizioni così estreme, gli atomi possono formare collettivamente un cosiddetto condensato di Bose-Einstein, che è uno stato quantistico che rappresenta un superfluido ideale senza attrito. Però, non ci si aspetterebbe naturalmente che un tale diluito, il liquido che scorre liberamente può cristallizzare. Affascinato dalla natura bizzarra dello stato supersolido, volevamo capire se ciò sarebbe comunque possibile se gli atomi interagissero in modo adeguato".

Nei primi anni 2000, i ricercatori hanno proposto condensati dipolari di Bose Einstein formati da particelle che, proprio come piccoli magneti, possono attrarsi e respingersi l'un l'altro su distanze considerevoli. Nel loro studio, Pohl e i suoi colleghi Yongchang Zhang e Fabian Maucher hanno osservato che le fluttuazioni quantistiche in tali condensati dipolari possono portare alla cristallizzazione in un punto critico (cioè, un punto nel diagramma di fase in cui due fasi di una sostanza diventano indistinguibili).

Ciò significa essenzialmente che i condensati dipolari possono, infatti, essere supersolido, che è ciò che i ricercatori avevano sperato quando hanno iniziato la loro indagine. I loro calcoli, però, ha riservato ulteriori sorprese, specificamente correlato al modo in cui il fluido quantistico si è cristallizzato.

"Quando mettiamo un cubetto di ghiaccio in un bicchiere d'acqua, ci vorrà del tempo prima che sia completamente sciolto, " Zhang ha detto a Phys.org. "In altre parole, l'acqua può coesistere in forma liquida e solida durante la sua fusione o congelamento, e questo comportamento è tipico di molte altre sostanze. Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che il nostro supersolido si congela in un modo particolare, per cui gli atomi sono completamente liquidi o completamente solidi, e il fluido e il cristallo diventano virtualmente identici proprio nel punto in cui le due fasi si trasformano senza coesistenza."

Le analisi effettuate da Pohl, Zhang e Maucher hanno svelato un nuovo tipo di supersolido che era molto diverso da quello che avevano originariamente previsto. Invece di atomi disposti su un tipico reticolo, si è scoperto che il fluido quantistico dipolare forma una struttura di canali a forma di nido d'ape.

Eppure, contrariamente al miele, che è un fluido viscoso, in questa struttura, gli atomi dipolari possono muoversi liberamente lungo le creste del "nido d'ape" superfluido. I ricercatori hanno scoperto questa peculiare forma di materia, in cui le particelle possono fluire attraverso una rete regolare tenuta insieme esclusivamente dal liquido stesso e a viscosità praticamente nulla, estremamente affascinante.

"Il nostro studio teorico si è basato sull'analisi e sulla simulazione numerica della funzione d'onda della meccanica quantistica macroscopica che descrive lo stato degli atomi dipolari nel condensato di Bose-Einstein, "Fabian Maucher, un altro ricercatore che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Come sottolineato in lavori precedenti, un aspetto particolarmente importante è quello di includere nella descrizione le correlazioni quantomeccaniche e le fluttuazioni quantistiche. Infatti, si scopre che il solido a nido d'ape e il suo insolito comportamento di congelamento sono facilitati da tali fluttuazioni quantistiche, e non esisterebbe altrimenti."

Lo studio condotto da Pohl, Zhang e Maucher introducono un nuovo tipo di stato supersolido, quale, come suggeriscono i loro risultati, potrebbero essere ricondotti agli effetti delle fluttuazioni quantistiche nei condensati dipolari. Nel futuro, hanno in programma di indagare ulteriormente su questi risultati e condurre ulteriori studi concentrandosi sui condensati dipolari di Bose-Einstein. Nel frattempo, altri gruppi di ricerca stanno anche esplorando il comportamento dei fluidi quantistici dipolari, sia in teoria che in esperimenti.

"Molto recentemente, tre gruppi sperimentali dell'Università di Stoccarda, l'Università di Firenze e l'Università di Innsbruck hanno osservato indipendentemente la formazione di goccioline quantistiche supersolide su scala micron allineate su array regolari, " Zhang ha detto. "Questi risultati sperimentali forniscono una prospettiva promettente, e sarà una questione importante chiarire in quali condizioni le nostre previsioni teoriche possono essere osservate con atomi dipolari. Certamente, i fluidi quantistici dipolari sono diventati una nuova entusiasmante piattaforma per il comportamento dei supersolidi che continuerà a sfidare la nostra comprensione e a rivelare sorprese e nuove intuizioni su questo affascinante stato quantistico della materia".

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