Vista dall'alto di un cristallo gravitazionale utilizzando sfere di alluminio di dimensioni mm posizionate su una superficie conduttiva a forma di ciotola. L'alta tensione di un generatore Van de Graaff è stata applicata sulla superficie inferiore (grafite) e una finestra conduttiva trasparente posta a pochi cm sopra le sfere. Una volta caricato, le sfere di alluminio si respingono, alla fine formando un modello periodico con ordine sia a breve che a lungo raggio. Credito:Alexander Bataller
Prendi una terrina dalla tua cucina, buttarci dentro una manciata di palline di alluminio, applicare un po' di alta tensione, e guarda un'elegante danza svolgersi in cui le particelle si riorganizzano in un distinto motivo "cristallo". Questo curioso comportamento appartiene al fenomeno noto come cristallizzazione di Wigner, dove le particelle con la stessa carica elettrica si respingono per formare una struttura ordinata.
La cristallizzazione di Wigner è stata osservata in una varietà di sistemi, che vanno dal particolato delle dimensioni di granelli di sabbia sospesi in piccole nuvole di elettroni e ioni (chiamato plasma polveroso) agli interni densi di stelle delle dimensioni di un pianeta, note come nane bianche. Il professor Alex Bataller della North Carolina State University ha recentemente scoperto che la cristallizzazione di Wigner all'interno delle nane bianche può essere studiata in laboratorio utilizzando una nuova classe di sistemi classici, chiamati cristalli gravitazionali.
Affinché si verifichi il curioso comportamento della cristallizzazione di Wigner, deve esistere un sistema composto da particelle cariche che sono entrambe libere di muoversi (plasma), che interagiscono fortemente tra loro (particelle fortemente accoppiate), e ha la presenza di una forza di confinamento per impedire alle particelle di plasma di esplodere in modo repulsivo lontano l'una dall'altra.
Per studiare questa condizione per piccole scale in laboratorio, Il Dr. Bataller ha ideato una nuova disposizione che mette le sfere metalliche in contatto con una superficie di confinamento ad alta tensione, che carica le sfere trasferendo centinaia di milioni di elettroni sulla loro superficie, e quindi aumenta la repulsione delle particelle, e mantiene anche le particelle contenute. Inoltre, quando le sfere rotolano sulla superficie, il loro movimento produce attrito che riduce rapidamente l'energia cinetica e favorisce un forte accoppiamento.
La flessibilità del concetto di cristallo gravitazionale consente l'esplorazione della stessa fisica che governa la stratificazione ossigeno-carbonio all'interno di stelle nane bianche fredde. Questo può essere osservato mescolando diverse sfere di massa (rame e alluminio) nella "ciotola di Alina, " una ciotola da cucina poco profonda in acciaio inossidabile. Una volta applicata la tensione, le sfere di rame più pesanti "affondano" al centro della ciotola e si separano dalle sfere di alluminio più leggere. Credito:Alexander Bataller
L'intuizione chiave che ha permesso la presente scoperta è stata quella di utilizzare la gravità come forza di confinamento. In questo modo, piccole sfere cariche possono essere confinate gravitazionalmente usando una semplice geometria... una ciotola.
Utilizzando il confinamento gravitazionale, Il Dr. Bataller ha scoperto che la cristallizzazione di Wigner può anche essere estesa a dimensioni macroscopiche con particelle un milione di volte più massicce del suo cugino di plasma polveroso, che ora può essere utilizzato per studiare altri sistemi cristallini. Per esempio, i cristalli di gravità possono simulare una curiosa caratteristica delle stelle nane bianche chiamata sedimentazione. È stato recentemente scoperto che si possono formare strati di cristalli stratificati all'interno di stelle nane bianche contenenti ossigeno e carbonio, dove l'ossigeno più pesante "affonda" nel nucleo. La disposizione dei cristalli a gravità riproduce questo effetto di stratificazione quando si applica alta tensione a un sistema inizialmente misto di sfere di rame e alluminio. Analogamente alla sedimentazione nelle stelle nane bianche, le sfere di rame gravitano verso il centro della ciotola mantenendo una struttura cristallina.
Le proprietà del plasma e l'ambiente esterno di un cristallo gravitazionale e di una nana bianca sono tanto diversi quanto si può immaginare, eppure entrambi i sistemi mostrano un comportamento simile, che parla della natura robusta della cristallizzazione di Wigner.
"La ricca diversità di sistemi in cui abbiamo osservato la cristallizzazione di Wigner è un risultato diretto della sua natura indipendente dalla scala, "Il dottor Bataller ha detto. "I cristalli di gravità estendono questo fenomeno a dimensioni umane pur necessitando di risorse minime. Ciò che mi entusiasma di più di questa nuova piattaforma è che praticamente qualsiasi individuo curioso può ricreare questo affascinante stato della materia che, fino ad ora, è stato limitato a esperimenti da milioni di dollari e all'interno del denso interno delle stelle".
