Le “atmosfere quantistiche” possono rivelare i segreti della materia

Le “atmosfere quantistiche” possono rivelare i segreti della materia

06 ottobre 2018

Una nuova teoria prevede che le proprietà quantistiche di un oggetto si estendano a una sorta di
atmosfera che circonda un materiale. L’analisi di questa atmosfera quantistica con piccole sonde
potrebbe far emergere proprietà nascoste, ma insolite e forse utili in materiali apparentemente
ordinari

di Marcus Woo/QuantaMagazine

Negli ultimi anni, alcuni materiali si sono rivelati l’equivalente di una specie di parco giochi per
fisici. Questi materiali non sono composti da nulla di speciale: solo normali particelle come
protoni, neutroni ed elettroni. Ma sono più della somma delle loro parti. Vantano una serie di
proprietà e fenomeni notevoli e hanno addirittura portato i fisici a nuove fasi della materia che si
affiancano alla fase solida, gassosa e liquida con cui siamo più familiari.

Una classe di materiali che entusiasma particolarmente i fisici è quella degli isolanti topologici
e, più in generale, le fasi topologiche, le cui basi teoriche sono valse ai loro scopritori un
premio Nobel nel 2016.

Sulla superficie di un isolante topologico, gli elettroni fluiscono senza ostacoli, mentre
all’interno sono immobili. La sua superficie è quindi un conduttore simile ai metalli, mentre il suo
interno è un isolante simile alle ceramiche.

Gli isolanti topologici hanno attirato l’attenzione per la loro fisica insolita e per il loro
potenziale uso nei computer quantistici e nei cosiddetti dispositivi spintronici, che usano sia gli
spin degli elettroni sia la loro carica.

Ma questi comportamenti esotici non sono sempre evidenti. “Guardando il materiale in modo
convenzionale non è facile dire se ha questo tipo di proprietà”, ha detto Frank Wilczek, fisico al
Massachusetts Institute of Technology e vincitore del Nobel per la fisica nel 2004.

Questo significa che una serie di materiali apparentemente ordinari potrebbero ospitare proprietà
nascoste, ma insolite e forse utili. In un articolo recentemente pubblicato on line, Wilczek e
Qing-Dong Jiang, fisico all’Università di Stoccolma, propongono un nuovo modo per scoprire quelle
proprietà: sondando un’aura sottile che circonda il materiale, che hanno soprannominato “atmosfera
quantistica”.

Alcune proprietà quantistiche fondamentali di un materiale potrebbero manifestarsi in questa
atmosfera, che i fisici potrebbero poi misurare. Se fosse confermato sperimentalmente, questo
fenomeno non solo sarebbe una delle poche conseguenze macroscopiche della meccanica quantistica, ha
sottolineato Wilczek, ma potrebbe essere un potente strumento per esplorare una schiera di nuovi
materiali.

“Se mi avessero chiesto se fosse possibile qualcosa del genere, avrei detto che sembra un’idea
ragionevole”, ha detto Taylor Hughes, teorico della materia condensata all’Università dell’Illinois
a Urbana-Champaign. Tuttavia, ha aggiunto, “immagino che l’effetto sia molto piccolo”.

Nella nuova analisi, però, Jiang e Wilczek hanno calcolato che in linea di principio un effetto
quanto-atmosferico sarebbe entro l’intervallo di rilevabilità. Non solo, dice Wilczek, ma la
rilevazione di questi effetti potrebbe essere a portata di mano prima o poi (più prima che poi).

Una zona d’influenza

Un’atmosfera quantistica, ha spiegato Wilczek, è una sottile zona di influenza intorno a un
materiale.

Secondo la meccanica quantistica, un vuoto non è completamente vuoto; piuttosto, è pieno di
fluttuazioni quantistiche. Per esempio, se si prendono due piastre non cariche elettricamente e le
si mettono insieme nel vuoto, tra di loro possono trovare spazio solo fluttuazioni quantistiche con
lunghezze d’onda più piccole rispetto alla distanza tra le piastre. All’esterno delle piastre, però,
possono manifestarsi fluttuazioni di tutte le lunghezze d’onda. L’energia esterna sarà così maggiore
rispetto a quella interna, e la conseguente forza netta spingerà le piastre una verso l’altra.
Questo fenomeno, chiamato effetto Casimir, è simile all’influenza di un’atmosfera quantistica, ha
detto Wilczek.

Come una lastra sente una forza più forte mentre si avvicina a un’altra, allo stesso modo una sonda
ad ago sentirebbe un effetto dell’atmosfera quantistica mentre si avvicina a un materiale. “È
proprio come una qualsiasi atmosfera”, ha detto Wilczek. “Ci si avvicina e si comincia a vederne
l’influenza”. E la natura di questa influenza dipende dalle proprietà quantistiche del materiale
stesso.

Queste proprietà possono essere straordinarie. Alcuni materiali agiscono come universi a sé stanti
con proprie leggi fisiche, come se comprendessero quello che di recente è stato chiamato un
multiverso dei materiali. “Un’idea importante nella moderna fisica della materia condensata è che
siamo in possesso di questi materiali, per esempio un isolante topologico, che hanno insiemi
differenti di regole al loro interno”, ha detto Peter Armitage, fisico della materia condensata alla
Johns Hopkins University.

Alcuni materiali, per esempio, ospitano oggetti che agiscono come monopoli magnetici, cioè magneti
puntiformi con un polo nord ma senza polo sud. I fisici hanno anche rilevato le cosiddette
quasiparticelle con carica elettrica frazionaria e quasiparticelle che agiscono come propria
antimateria, con la capacità di annientarsi.

Se in altri materiali esistono proprietà esotiche simili, potrebbero rivelarsi nelle atmosfere
quantistiche. In linea di principio si potrebbe scoprire ogni sorta di nuova proprietà semplicemente
sondando le atmosfere dei materiali, ha detto Wilczek.

Per dimostrare la loro idea, Jiang e Wilczek si sono concentrati su un insieme di regole non
ortodosse chiamate elettrodinamica assionica, che potrebbero far emergere proprietà uniche. Nel 1987
Wilczek propose la teoria per descrivere come un’ipotetica particella chiamata assione interagisce
con elettricità e magnetismo. (In precedenza i fisici avevano proposto l’assione come soluzione a
una delle più grandi questioni irrisolte della fisica: perché le interazioni che coinvolgono la
forza forte sono le stesse anche quando le particelle sono scambiate con le loro antiparticelle e
riflesse in uno specchio, conservando la cosiddetta simmetria di carica e parità.) Finora nessuno ha
trovato prove dell’esistenza degli assioni, anche se di recente hanno suscitato un rinnovato
interesse come candidati per la materia oscura.

Queste regole non sembrano essere valide nella maggior parte dell’universo, si scopre però che
possono entrare in gioco in un materiale come un isolante topologico. “I campi elettromagnetici
interagiscono con questi nuovi tipi di materiali chiamati isolanti topologici fondamentalmente allo
stesso modo in cui interagiscono con un insieme di assoni”, ha detto Wilczek.

Difetti del diamante

Se un materiale come un isolante topologico obbedisce all’elettrodinamica assionica, la sua
atmosfera quantistica potrebbe indurre un effetto rivelatore su tutto quello che attraversa
l’atmosfera. Jiang e Wilczek hanno calcolato che questo effetto sarebbe simile a quello di un campo
magnetico. In particolare, hanno scoperto che se si colloca un qualche sistema di atomi o molecole
nell’atmosfera, il suo livello di energia quantistica sarebbe alterato. Un ricercatore potrebbe
quindi misurare questi livelli alterati con tecniche di laboratorio standard. “È un’idea non
convenzionale ma piuttosto interessante”, ha detto Armitage.

Uno di questi possibili sistemi è una sonda con diamante permeato di cosiddetti centri di vacanza
dell’azoto (o NV, da nitrogen-vacancy ). Un centro NV è un tipo di difetto nella struttura
cristallina di un diamante dove alcuni atomi di carbonio sono sostituiti da atomi di azoto, e dove
la posizione adiacente all’azoto è vuota. Lo stato quantico di questo sistema è altamente sensibile
e permette ai centri NV di fiutare anche campi magnetici molto deboli. Questa proprietà li rende
sensori molto potenti che possono essere usati in una varietà di applicazioni in geologia e
biologia.

“È una bella dimostrazione di principio”, ha detto Hughes. Un’applicazione, ha aggiunto, potrebbe
essere tracciare le proprietà di un materiale. Facendo passare un centro NV attraverso un materiale
come un isolante topologico, è possibile determinare come le proprietà del materiale variano sulla
superficie.

L’articolo di Jiang e Wilczek, che hanno inviato per una pubblicazione su “Physical Review Letters”,
descrive in dettaglio solo l’influenza dell’atmosfera quantistica derivata dall’elettrodinamica
assionica. Per determinare come altri tipi di proprietà influenzano un’atmosfera, ha detto Wilczek,
bisognerebbe fare calcoli diversi.

Rompere le simmetrie

Fondamentalmente, le proprietà che le atmosfere quantistiche svelano sono simmetrie. Le diverse fasi
della materia, e le proprietà tipiche di una fase, possono essere pensate in termini di simmetrie.
In un cristallo solido, per esempio, gli atomi sono disposti in un reticolo simmetrico che si sposta
o ruota per formare uno schema cristallino identico. Quando si applica calore, però, i legami si
rompono, la struttura reticolare collassa e il materiale, diventato un liquido con proprietà
nettamente diverse, perde la sua simmetria.

I materiali possono rompere altre simmetrie fondamentali come quella di inversione temporale a cui
obbedisce la maggior parte delle leggi della fisica. Oppure i fenomeni possono essere diversi se
guardati allo specchio, una violazione della simmetria di parità.

L’eventuale rottura di queste simmetrie in un materiale potrebbe indicare transizioni di fase
precedentemente sconosciute e proprietà potenzialmente esotiche. Un materiale con certe simmetrie
infrante indurrebbe le stesse violazioni in una sonda posta all’interno della sua atmosfera
quantistica, ha detto Wilczek. Per esempio, in un materiale che rispetta l’elettrodinamica assionica
sono infrante sia la simmetria temporale sia la simmetria di parità, ma non lo è la combinazione
delle due. Sondando l’atmosfera di un materiale, si potrebbe capire se segue questo schema di
rottura della simmetria e in che misura e, quindi, quali comportamenti bizzarri può avere.

“Alcuni materiali romperanno segretamente simmetrie che non conoscevamo e che non sospettavamo”, ha
detto Wilczek. “Sembrano innocenti, ma in qualche modo nascondono un segreto”.

Wilczek ha detto di aver già parlato con sperimentatori interessati a testare l’idea. Inoltre, ha
affermato, gli esperimenti dovrebbero essere facili da realizzare, e spera che possano essere
effettuati non nel giro di anni, ma di settimane o mesi.

Se tutto andrà per il verso giusto, il termine “atmosfera quantistica” potrebbe trovare un posto
permanente nel lessico della fisica. Wilczek ha coniato in precedenza termini come assioni, “anioni”
(quasiparticelle che possono essere utili per il calcolo quantistico) e cristalli temporali, o di
tempo (strutture che si muovono in modelli regolari e ripetitivi senza usare energia). Ha una buona
esperienza nell’ideare nomi che abbiano presa, ha detto Armitage. “E ‘atmosfera quantistica’ ne è un
altro buon esempio.”

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(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 25 settembre 2018 da QuantaMagazine.org, una
pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la
comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione
autorizzata, tutti i diritti riservati)
www.quantamagazine.org/quantum-atmospheres-may-reveal-secrets-of-matter-20180925/

arxiv.org/abs/1809.01692