La meccanica quantistica allo specchio
Cosa può rendere atomi ed elettroni “super”? La possibilità, in particolari condizioni, di marciare tra di loro in maniera sincrona, formando un’unica onda di materia, priva di viscosità o resistenza. Fenomeni apparentemente inspiegabili, chiariti solo dalle leggi della meccanica e della statistica quantistica. Dopo oltre un secolo dalla loro prima osservazione, rappresentano la frontiera della ricerca e sono tra gli ingredienti fondamentali per lo sviluppo di nuove tecnologie con prestazioni finora inarrivabili. Ce ne parla Giacomo Roati, dirigente di ricerca dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr
I superfluidi e i superconduttori sono tra i più affascinanti stati della materia. Atomi ed elettroni vi possono fluire senza dissipazione persino per anni, ininterrottamente. Questa proprietà quasi magica ha generato meraviglia ed eccitazione fin dalla loro scoperta, all’inizio del secolo scorso. La superfluidità e la superconduttività manifestano la meccanica e la statistica quantistica su scala macroscopica. Solo le leggi quantistiche possono infatti motivare perché in essi siano assenti gli effetti di viscosità o di resistenza che caratterizzano fluidi e metalli “normali”. È come se atomi e coppie di elettroni si muovessero, pattinando, sopra un infinito lago ghiacciato, senza attrito alcuno.
Questi fenomeni sono strettamente legati al fatto che, in particolari condizioni ben al di sotto della temperatura ambiente, alcune particelle o coppie di particelle possono raggrupparsi occupando un singolo stato quantistico. Questo stato fu predetto da Albert Einstein nel 1924 e prende il nome di condensato di Bose-Einstein (Bec): le particelle che formano il condensato Bec mostrano l’incredibile proprietà di comportarsi in maniera collettiva, formando un’unica onda di materia macroscopica. Come se fossero un unico super atomo.
E' questa caratteristica a determinare le speciali proprietà di trasporto di superfluidi e superconduttori. Esempi di superfluidi in natura sono l’4He (elio-4) e l’3He (elio-3) o particolari gas atomici estremante rarefatti. Ad esempio, per l’4He la temperatura capaci di far insorgere di queste super proprietà è dell’ordine di 2.1 gradi Kelvin, circa -271 gradi Celsius (zero gradi Kelvin K, lo zero assoluto, corrispondono a -273.15 gradi Celsius °C). Nel caso dei gas atomici superfluidi, le temperature critiche sono le più basse osservate finora in tutto l’universo, raggiungendo valori di un miliardesimo di grado vicino allo zero assoluto, cioè -273.149999999 °C!
Sono superconduttori anche metalli di uso comune come l’alluminio, il piombo, lo stagno e il mercurio che hanno temperature critiche dell’ordine di qualche grado Kelvin. Nel 1986, due ricercatori del laboratorio Ibm di Zurigo, Johannes Georg Bednorz e Karl Alexander Müller, hanno sorpreso il mondo intero con la scoperta di quelli che oggi chiamiamo superconduttori ad alta temperatura. Nel loro primo esperimento, Bednorz e Müller riportarono temperature critiche dell’ordine di -238.15 °C. Per questo loro risultato rivoluzionario, i due ricercatori sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica nel 1987. La particolarità che distingue questi nuovi superconduttori risiede nel fatto che essi sono non metalli ma materiali ceramici, inizialmente basati su ossidi di rame e per questo chiamati cuprati. Dopo l’osservazione di Bednorz e Müller è partita la caccia a leghe e materiali ceramici che mostrassero le super proprietà a temperature sempre maggiori, al fine di utilizzarli ancora più semplicemente per realizzare tecnologie, anche al di fuori dei laboratori di ricerca. Ad oggi, si possono ingegnerizzare materiali complessi con temperature critiche dell’ordine di -140 °C.
Allo stesso tempo, i fisici teorici hanno cominciato a ricercare quali meccanismi fondamentali favorissero la superconduttività ad alta temperatura. Al momento attuale, non esiste ancora un modello definitivo che spieghi questa fenomenologia in tutte le sue sfaccettature. Anche i metodi di calcolo più sofisticati falliscono, data la complessità del problema. Recentemente, gli scienziati hanno cominciato a utilizzare gas di atomi ultrafreddi superfluidi come potenti simulatori quantistici: questo approccio, realizza l’ipotesi di uno dei fisici più importanti del ventesimo secolo, Richard Feynman, che, propose di usare sistemi quantistici controllabili per simulare la natura stessa. Celebre la sua frase: “Nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy” (Maledizione, la natura non è classica, e se vuoi fare una simulazione della natura, faresti meglio a farla quantistica, e diamine è un problema meraviglioso, perché non sembra così facile).
I superfluidi e i superconduttori sono ormai utilizzati come base di sofisticati dispositivi per raggiungere livelli di sensibilità finora inaccessibili. Ad esempio, nei superconduttori dc-Squid (Superconducting Quantum Interference Device) e negli analoghi superfluidi SHeQuid. I primi sono magnetometri molto sensibili, mentre i secondi possono misurare con estrema precisione rotazioni ed effetti gravimagnetici. Mentre due superconduttori separati da un sottilissimo strato di isolante, chiamati giunzioni Josephson, sono piattaforme estremamente promettenti in cui sviluppare protocolli di calcolo quantistico, che rappresentano una delle direzioni di ricerca fondamentale del nostro secolo, con ripercussioni immediate anche sulla vita di tutti i giorni.
Info citazione Feynman: R.P. Feynman, Simulating physics with computers. Int J Theor Phys 21, 467 (1982)
Fonte: Giacomo Roati, Istituto nazionale di ottica, e-mail: giacomo.roati@ino.cnr.it