Il CNR trasforma la luce in solido: svolta nella fisica quantistica

CNR, luce trasformata in supersolido: prima volta al mondo

Ricercatori italiani hanno trasformato la luce in un supersolido, stato quantistico che agisce simultaneamente come cristallo solido e fluido privo di viscosità, sconvolgendo la fisica classica

Per la prima volta al mondo, scienziati del CNR – Consiglio Nazionale delle Ricerche, hanno trasformato la luce in un supersolido, uno stato quantistico cioè che agisce simultaneamente come cristallo solido e come fluido privo di attrito. Una ricerca importantissima che apre la strada a una maggiore comprensione degli stati quantistici della materia.

Per offrire un esempio di facile comprensione: quanto accaduto ricorda il principio della spada laser di Star Wars, anche se in questo caso non si tratta di fasci di luce ma di un vero e proprio cambiamento dello stato dei fotoni.

La ricerca è stata pubblicata su Nature, la più prestigiosa rivista scientifica internazionale, ed ora apre ad applicazioni nel campo della fotonica, la scienza della luce, che potrebbe portare allo sviluppo di nuovi semiconduttori e rendere i computer più simili al modo di funzionare del nostro cervello.

Cosa sono i supersolidi

I supersolidi sono materiali unici con viscosità zero e una struttura simile ai cristalli convenzionali, come quelli presenti nel sale da tavola. A differenza dei materiali tipici, che si comportano secondo le leggi familiari della fisica, i supersolidi esistono principalmente nel regno quantistico.

Immaginiamo di prendere un cubetto di ghiaccio che, mentre mantiene perfettamente la sua forma cubica, possa anche passare attraverso un setaccio senza sforzo, come se fosse acqua. Sembra assurdo, eppure è esattamente ciò che accade in questi stati esotici della materia: i supersolidi sono caratterizzati da una struttura cristallina rigida e da un flusso senza attrito che coesistono nello stessi materiale.

Fino ad ora, i fisici erano riusciti a creare supersolidi solo raffreddando atomi a temperature vicinissime allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), condizioni nelle quali gli effetti quantistici diventano evidenti e osservabili. La grande novità è che ora possiamo ottenerli manipolando la luce a temperature molto più alte, grazie all’interazione con materiali semiconduttori appositamente strutturati. Ciò significa poter studiare questi fenomeni quantistici in condizioni molto più accessibili.

L’esperimento italiano del CNR

L’esperimento non è stato affatto semplice. I ricercatori hanno dovuto progettare con precisione micrometrica delle “creste” sul semiconduttore, creando un pattern che confinasse le particelle ibride generate dall’interazione tra luce e materia (i cosiddetti “polaritoni“). Hanno poi diretto un laser su questa parte di semiconduttore. Questo confinamento ha forzato i polaritoni ad arrangiarsi in una struttura cristallina pur mantenendo la fluidità tipica dei sistemi quantistici: un supersolido, appunto.

Il team di ricercatori, guidati dallo scienziato Daniele Sanvitto, ha affrontato una sfida significativa per consolidare i risultati: dovevano misurare con precisione un numero sufficiente di proprietà di questo nuovo supersolido, fornendo la prova che mostrava realmente caratteristiche sia di un solido che di un fluido senza viscosità. Sono state necessarie molte prove: non esistevano precedenti, nessun protocollo sperimentale da seguire. Hanno dovuto misurate diverse proprietà simultaneamente per provare che il loro materiale fosse davvero sia solido che fluido senza viscosità.

“Abbiamo effettivamente trasformato la luce in un solido. È davvero straordinario”, ha dichiarato Dimitrios Trypogeorgos, altro ricercatore del CNR parte del team.

I lunghi anni di ricerca

Non è la prima volta che la luce ci sorprende. Dal 2009, quando Daniele Sanvitto, già ricercatore del CNR, dimostrò che la luce poteva comportarsi come un fluido, era noto che questo elemento apparentemente semplice nascondeva proprietà straordinarie. Ma fare il passo successivo, trasformare la luce in un supersolido, sembrava un’impresa ai limiti dell’impossibile. Ora, Sanvitto e il suo team hanno fatto un ulteriore passo avanti creando quello che definiscono un “supersolido” quantistico. Non hanno solamente manipolato la luce, l’hanno trasformata in qualcosa che sfida ogni categorizzazione classica.

E chissà qualche altre sorprese ci riservano i fasci di luce cui prestiamo poca attenzione ogni giorno!

I prossimi sviluppi

Secondo Alberto Bramati, della Sorbonne University, questo esperimento rappresenta solo il primo passo. Sebbene il team abbia dimostrato in modo convincente di aver prodotto un supersolido, Bramati ha riconosciuto che sono necessarie ulteriori misurazioni e analisi per comprenderne appieno le proprietà.

Trypogeorgos, del team CNR, ha suggerito che queste forme di materia potrebbero essere più gestibili rispetto a quelle generate dagli atomi. Questa caratteristica potrebbe portare a un’esplorazione più profonda di stati della materia nuovi e inaspettati e ad applicazioni pratiche nella tecnologia quantistica, aprendo nuove strade finora inaccessibili.

Mentre il campo della fisica quantistica continua a evolversi, la creazione di un supersolido basato sulla luce rappresenta un entusiasmante inizio per i ricercatori. Con molto altro da scoprire sul comportamento di questo nuovo stato della materia, gli scienziati sono ansiosi di approfondire le sue sfumature, scoprendo potenzialmente applicazioni rivoluzionarie nei prossimi anni. Forse un giorno questa ricerca apparentemente astratta porterà a tecnologie rivoluzionarie, esattamente come accaduto con altri fenomeni quantistici che oggi alimentano computer, laser e dispositivi medici.

Siamo davvero solo all’inizio di un nuovo capitolo della fisica. E, come spesso accade, tutto inizia con un fascio di luce.

fonti: CNR I HDBlog I EtaBeta

immagine di copertina: Jj-Ying via Unsplash

autore: Barbara Marcotulli

 

Maker Faire Rome – The European Edition, promossa dalla Camera di Commercio di Roma e organizzata dalla sua Azienda speciale Innova Camera, si impegna da ben nove edizioni a rendere l’innovazione accessibile e fruibile con l’obiettivo di non lasciare indietro nessuno offrendo contenuti e informazioni in un blog sempre aggiornato e ricco di opportunità per curiosi, maker, startup e aziende che vogliono arricchire le proprie conoscenze ed espandere il proprio business, in Italia e all’estero.

Seguici, iscriviti alla nostra newsletter: ti forniremo solo le informazioni giuste per approfondire i temi di tuo interesse