- Laus Hepp ed Elliott H. Lieb predissero nel 1973 un meccanismo quantistico noto come transizione di fase superradiante
- La sua osservazione diretta per la prima volta apre le porte alla prossima generazione di tecnologie quantistiche
Questa citazione di Richard Feynman, Premio Nobel per la Fisica per i suoi contributi all’elettrodinamica quantistica e uno degli scienziati più ammirati del XX secolo, riassume molto bene la complessità della fisica quantistica: “Se credi di capirla, in realtà non capisci la fisica quantistica”. La meccanica quantistica studia le leggi che governano il mondo dell’infinitamente piccolo, delle particelle, nonché le interazioni a cui sono soggette le strutture atomiche e subatomiche.
La maggior parte di queste regole è radicalmente diversa dalle leggi con cui abbiamo familiarità nel mondo in cui viviamo. Nel mondo macroscopico. Molti fisici hanno trascorso l’ultimo secolo cercando di capire come funzionano i fenomeni quantistici conosciuti e sforzandosi anche di identificare regole quantistiche sconosciute. Il problema è che lavorare con l’estremamente piccolo, con le particelle, è molto difficile. Tuttavia, questo non significa che non stiano avendo successo.
Alla ricerca dell’elusiva transizione di fase superradiante
Nel 1973 i fisici Klaus Hepp ed Elliott H. Lieb predissero un fenomeno quantistico noto come transizione di fase superradiante. Per oltre mezzo secolo la comunità scientifica ha cercato senza successo di trovare prove a sostegno dell’esistenza di questo meccanismo al di là della mera teoria. Ma tutto è cambiato lo scorso 4 aprile. Quel giorno un gruppo di ricercatori della Rice University in Texas (USA), dell’Università di Shanghai (Cina), del Laboratorio Nazionale Ames della NASA (USA) e dell’Università Nazionale di Singapore, tra le altre istituzioni scientifiche, ha pubblicato un articolo su ScienceAdvances in cui spiega la procedura utilizzata per osservare sperimentalmente questo fenomeno quantistico così sfuggente.
Comprendere cos’è la transizione di fase superradiante e tutte le sue implicazioni non è semplice, ma possiamo farci un’idea abbastanza precisa di cosa consiste questo meccanismo se lo osserviamo come un cambiamento improvviso in un sistema di particelle che fa sì che molte di esse comincino a comportarsi in modo coordinato. Quando questo fenomeno non si verifica, gli atomi interagiscono in modo debole e si comportano in modo disorganizzato, ma quando si verifica la transizione di fase superradiante, si sincronizzano e mostrano lo stesso comportamento, dando luogo a un nuovo stato della materia.
Quando si verifica la transizione di fase superradiante, gli atomi si sincronizzano e mostrano lo stesso comportamento
La cosa più sorprendente è che questo nuovo stato conferisce al materiale proprietà insolite dal punto di vista macroscopico. I ricercatori che ho citato poche righe fa sono riusciti a osservare direttamente questo meccanismo per la prima volta. Ci sono riusciti innescando la transizione in un cristallo composto da erbio, ferro e ossigeno sottoposto a una temperatura di −271,7 gradi Celsius. Inoltre, lo hanno esposto a un campo magnetico di ben 7 tesla, ovvero oltre 100.000 volte più intenso del campo magnetico terrestre. L’obiettivo era quello di indurre la transizione di fase superradiante accoppiando lo spin delle particelle. E ci sono riusciti.
Lo spin è una proprietà intrinseca delle particelle elementari, come la carica elettrica, derivata dal loro momento angolare. La prima prova sperimentale che ne confermava l’esistenza arrivò nel 1922 grazie agli esperimenti dei fisici tedeschi Otto Stern e Walther Gerlach, anche se i scienziati iniziarono a comprendere la natura di questa importantissima proprietà delle particelle elementari solo alcuni anni dopo. Il motivo per cui non è facile comprendere con precisione cosa sia lo spin è che si tratta di un fenomeno quantistico, quindi non è del tutto corretto descriverlo come un movimento di rotazione convenzionale nello spazio.
Tuttavia, la descrizione che vi ho proposto nel paragrafo precedente viene spesso utilizzata a scopo didattico perché ci aiuta a intuire senza troppa fatica di cosa stiamo parlando. In ogni caso, la cosa più interessante è che la transizione di fase superradiante apre le porte alla prossima generazione di tecnologie quantistiche. Questo è ciò che conta davvero. Secondo i fisici coinvolti in questo esperimento, questo meccanismo potrebbe presumibilmente essere utilizzato per mettere a punto sensori quantistici dotati di una sensibilità molto più elevata rispetto a quelli attualmente disponibili. Potrebbe anche essere utilizzato per produrre cubit più robusti per i computer quantistici. Sembra interessante. Speriamo che le previsioni si avverino.
