Solido, liquido, gassoso e…quantum spin liquid (QSL)! Da oggi abbiamo un nuovo stato di aggregazione della materia e la sua scoperta è tutto merito della fisica quantistica.
E’, infatti, sempre più costante l’impegno degli scienziati a proiettarsi verso un “nuovo tipo” di fisica che si allontana sempre più da quella classica di Newton e Galileo e che vede in Einstein e Fermi i nuovi punti di riferimento.
Gli stati di aggregazione classici che tutti conoscono sono solido, liquido, gassoso. L’acqua è liquida, il ghiaccio è solido e il vapore acqueo è aeriforme. La giustificazione classica a questi stati di aggregazione è la disposizione e l’interazione delle molecole: nei solidi le molecole sono fortemente legate l’una all’altra, nei liquidi i legami più deboli permettono una certa fluidità e un certo movimento, nei gas le molecole non sono vincolate e sono libere di muoversi. La fisica quantistica è riuscita ad ampliare l’orizzonte degli “stati di aggregazione” inserendone uno nuovo.
Più di quarant’anni fa, fu teorizzata l’esistenza del QSL, che noi italiani chiamiamo poeticamente “liquido di spin quantistico”, ma come mille altri misteri della fisica è rimasto nascosto fino ai nostri giorni. Potremmo definirlo uno stato quantistico, che interessa non la disposizione delle ormai note molecole nel loro complesso, ma la disposizione di piccole entità 31 volte più piccole di un chilogrammo: gli elettroni.
Dall’infinitamente grande, quindi, all’infinitamente piccolo per scoprire la singolare proprietà di alcuni materiali magnetici. Se pensiamo al magnetismo, una delle prime immagini su cui ci concentriamo è di certo quella della bussola. Per l’ago di una bussola è sufficiente il campo elettrico terreste a decidere una direzione. Così gli elettroni di un materiale magnetico, all’interno di un campo elettrico, subiscono l’influsso orientandosi di conseguenza tutti nella stessa direzione, come se ciascuno di essi fosse a sua volta un piccolo magnete.
Si è scoperto, in realtà, che non serve necessariamente un campo elettrico per ottenere questo risultato. Normalmente, se un corpo magnetico viene sufficientemente raffreddato, gli elettroni possono assumere una precisa direzione, come se, per le basse temperature, venissero “congelati” come succede con le molecole dell’acqua nel freezer! Eppure, quando un elemento magnetico è nello stato quantum spin liquid, gli elettroni non riescono ad orientarsi nella stessa direzione, per quanto freddo possa fare, persino vicino allo zero assoluto. Un bel caos insomma!
Osservare lo stato di quantum spin liquid non è stata una passeggiata. Del resto, se si parla di elettroni, è agli elettroni che bisogna guardare e per farlo non basta osservare come si scioglie un cubetto di ghiaccio. Bisogna, per dirla in gergo, spaccare il capello, o ficcare il naso tra gli affari del tricloruro di rutenio, il fortunato materiale che ha consentito l’interessante scoperta.
I ricercatori hanno usato un particolare processo di scattering (o diffusione ottica, fenomeno per il quale le onde vengono deflesse, ovvero piegate, per influenze di altre onde o particelle), per cercare, anche un po’ alla cieca, delle particelle leggendarie note come fermioni di Majorana. Un tale procedimento di interazione onda-materiale è usato anche nella cristallografia per individuare il reticolo cristallino di un minerale.
Di stati non convenzionali della materia è pieno il mondo, tra quelli dimostrati e quelli proposti c’è di certo l’imbarazzo della scelta, ma nella vita di ogni giorno è difficile apprezzarne le differenze. A quelli precedenti, la ricerca quantistica ha aggiunto questo nuovo risultato e il tentativo degli scienziati di “rivoluzionare” la fisica classica ha sistemato un nuovo tassello nel puzzle ambizioso che descrive il mondo infinitamente piccolo che sta sotto i nostri occhi.
Per altre e dettagliate informazioni si rimanda a Google Scholar, nella sezione dei saggi dedicati al quantum spin liquid.
