Il mutaforma quantistico: scoperto un nuovo tipo di transizione di fase quantistica

SCOPERTE – Che cosa è la meccanica? Nient’altro che la parte della fisica che studia il moto dei corpi: fin qui, si sa, un qualunque studente di scuole superiori arriva agevolmente a rispondere. Passiamo ad una domanda più difficile: che cosa è la meccanica quantistica, e in che cosa differisce dalla meccanica classica? La risposta è più complessa, e le sue implicazioni più profonde alla portata di pochi specialisti: la meccanica quantistica prova a dare risposte sui fenomeni per i quali la sua controparte classica arranca, perchè si manifestano sulle lunghezze microscopiche, inferiori o dell’ordine di quelle dell’atomo.

In termini poco rigorosi, a livello macroscopico, ovvero quello degli eventi a cui ordinariamente assistiamo, vige un sostanziale determinismo: lo stato di moto di un oggetto o di un sistema si possono determinare univocamente note le condizioni iniziali e le forze che agiscono su di essi. Secondo la fisica contemporanea, a livello microscopico questo non è più strettamente possibile, perché energia, forza e altre grandezze fisiche non sono più “spalmate” in modo continuo nello spazio, ma sono disponibili unicamente come multipli di quantità prefissate, i quanti.

Le implicazioni di questo salto di complessità a livello microscopico sono molteplici: per esempio, noi tutti abbiamo consuetudine con le trasformazioni fisiche di una sostanza, come l’acqua, che in funzione di temperatura, concentrazione e altri parametri macroscopici può transitare dallo stato liquido a quello solido, diventando ghiaccio, o viceversa. Questo dipende dalla rottura dei legami tra gli atomi della sostanza, che viene stimolata con l’aumento della temperatura, che corrisponde a un incremento dell’energia delle oscillazioni degli atomi stessi. Che, oltre un certo limite, detto punto di fusione, rompono i legami che li tengono uniti, riorganizzandosi in una struttura caratterizzata da legami più labili. In questo modo, il ghiaccio si fonde e diventa acqua.

Che cosa succede, invece, a livello quantistico? La cosiddetta transizione di fase quantistica, contrariamente a quanto accade nel caso classico sopra descritto, può avvenire unicamente variando un parametro fisico, per esempio un campo magnetico o una pressione, a una temperatura prossima allo zero assoluto, che corrisponde a –273.15° Celsius. In queste condizioni, le fluttuazioni quantistiche delle particelle di una sostanza possono determinare, sotto l’azione esterna, bruschi cambiamenti di stato, che non possono essere ottenuti a temperature ordinarie.

Un gruppo di ricerca dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha scoperto un nuovo tipo di punto critico quantistico, in altri termini un nuovo modo in cui un materiale può cambiare da uno stato a un altro per effetto di trasformazioni microscopiche. Questo tipo di transizione avviene non grazie all’apporto di energia termica, ma mediante fluttuazioni quantistiche. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

I ricercatori hanno utilizzato neutroni e raggi X come forza esterna su un materiale in rame-lantanio. Con la semplice aggiunta di un piccolo pezzo di oro. Stimolando il materiale intorno al punto critico quantistico, gli atomi che lo compongono si ricombinano in strutture e forme nuove, per giustificare le quali la meccanica e la fisica classica non sono più sufficienti. Una novità assoluta consiste nella potenziale elasticità del punto critico quantistico scoperto dai ricercatori: si tratta, in altri termini, di un punto in cui gli effetti delle fluttuazioni quantistiche sono predominanti anche rispetto ai livelli energetici degli elettroni del materiale. In questo modo, si può escludere un’influenza dei campi di forza elettrici e imputare l’intero processo alla sola componente quantistica.

Quali sono le potenziali applicazioni di questa scoperta? In generale, sfruttando i punti critici quantistici è possibile pensare a materiali con caratteristiche totalmente nuove, in grado di riorganizzare la propria struttura e le proprie caratteristiche sotto l’azione di impulsi esterni. Un dispositivo basato su questo tipo di tecnologie e proprietà fisiche potrebbe quindi esibire la capacità di cambiare in modo controllato la propria struttura.

Questo tipo di comportamento controintuitivo rispetto ai paradigmi della fisica classica è al contrario frequente in fisica quantistica. Un esempio è costituito dal fenomeno dell’entanglement: due particelle microscopiche, che inizialmente interagiscono tra di loro, vengono poste a grande distanza l’una dall’altra. Modificando lo stato quantistico di una delle due, tuttavia, si avrebbe un effetto misurabile anche sullo stato quantistico dell’altra, come se le due particelle restassero intimamente legate (del resto entangled significa “aggrovigliate”).

Una delle sfide tecnologiche più affascinanti del prossimo futuro sarà proprio quella di migliorare e sviluppare la capacità di sfruttare le proprietà microscopiche della materia per trasformarla, utilizzando le transizioni di fase quantistiche, o trasferire informazioni a distanza, tramite l’entanglement.

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