Per la prima volta nella storia, gli scienziati sono riusciti a trasformare la luce in un supersolido, uno stato quantistico della materia che potrebbe rivoluzionare l’industria dei superconduttori e persino l’informatica quantistica nel prossimo futuro. Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Nature all’inizio di marzo.
L’esperimento è stato condotto con i polaritoni, particelle ibride di luce e materia, in un cristallo fotonico appositamente progettato da un team internazionale di ricercatori guidato da Dimitrios Trypogeorgos e Antonio Gianfrate del CNR Nanotec (Istituto di Nanotecnologie) in Italia, in collaborazione con scienziati dell’Università di Innsbruck (Austria), dell’Università di Pavia (Italia), dell’Università di Trento (Italia), del Berkeley National Laboratory (USA) e dell’Università di Princeton (USA).
Cos’è un supersolido e perché è così straordinario?
I supersolidi sono uno degli stati più misteriosi della materia. Combinano le proprietà di un solido, ovvero una struttura ordinata e rigida, con la fluidità di un superfluido, il che significa che possono scorrere senza resistenza. Ciò li rende molto promettenti per diverse applicazioni tecnologiche.
Finora questo fenomeno era stato osservato solo nei gas atomici ultrafreddi. Ma ora i ricercatori sono riusciti a creare questo stato esotico utilizzando fotoni accoppiati a quasiparticelle: una tecnica rivoluzionaria che potrebbe facilitare l’esplorazione dei supersolidi in ambienti controllati.
Non hai capito niente? Semplifichiamo le cose. Se hai mai visto un cubetto di ghiaccio, sai che è solido e rigido, giusto? Ora, immagina che questo ghiaccio abbia un comportamento magico: mantiene la sua forma solida, ma allo stesso tempo può scorrere come un liquido, senza resistenza o attrito. Sembra fantascienza, ma è proprio questa l’idea alla base dei supersolidi!
In genere, i materiali sono solidi (con una struttura fissa) o liquidi (con fluidità). Ma nello stato supersolido, combinano entrambi i comportamenti contemporaneamente: hanno un ordine cristallino, come un solido, ma scorrono liberamente, come un liquido senza viscosità.
Ora, la parte più impressionante: gli scienziati sono riusciti a fare tutto questo con la luce!
🔍 Cosa sono i polaritoni e qual è il ruolo del cristallo fotonico?
Per farlo, i ricercatori hanno utilizzato i polaritoni, che sono particelle ibride. Si creano quando un fotone (particella di luce) si accoppia a un eccitone (un tipo di “lacuna” che si crea quando un elettrone viene eccitato in un materiale). Questo connubio tra luce e materia genera un nuovo tipo di particella, che può essere manipolata in un modo unico.
Ma dove restano “bloccate” queste particelle? La risposta risiede nel cristallo fotonico, che agisce come una sorta di gabbia per la luce. Si tratta di un materiale progettato per confinare e guidare i fotoni in modo controllato, consentendo loro di interagire fortemente con la materia e creare nuove proprietà.
All’interno di questo cristallo, i polaritoni erano disposti in modo da rompere la simmetria spaziale, formando uno schema ordinato ma continuando a fluire come un liquido quantistico. In altre parole, la luce è stata trasformata in un supersolido!
Questo potrebbe sembrare un concetto lontano dalla tecnologia odierna, ma apre la strada a nuove forme di informatica ed elettronica, utilizzando la luce in modi mai visti prima!
Come hanno fatto gli scienziati a creare un supersolido usando la luce?
Come abbiamo visto sopra, l’esperimento è stato condotto in un condensato di polaritoni, un sistema in cui la luce interagisce fortemente con la materia. Utilizzando un cristallo fotonico, gli scienziati sono riusciti a manipolare la luce in modo che i fotoni si combinassero con le eccitazioni elettroniche della struttura, formando uno stato ordinato e coeso che può ancora fluire liberamente.
Questo approccio ha permesso al team di osservare comportamenti tipici dei supersolidi, come la rottura spontanea della simmetria traslazionale, un fenomeno che conferma che la luce ha effettivamente assunto questo nuovo stato della materia. Funziona così:
Fase 1: Scelta della piattaforma sperimentale
I ricercatori hanno utilizzato uno speciale cristallo fotonico, che funge da mezzo di confinamento per luce e materia.
Fase 2: Creazione di polaritoni
È stato utilizzato un condensato di polaritoni, che sono particelle ibride formate dall’interazione tra fotoni (luce) ed eccitoni (quasiparticelle di materia) all’interno del cristallo.
Fase 3: induzione dello stato di condensazione
Gli scienziati hanno raffreddato il sistema a temperature criogeniche, probabilmente nell’ordine di qualche decina di gradi Kelvin (superiori allo zero assoluto, ma comunque estremamente basse).
Con questa riduzione di temperatura, i polaritoni hanno iniziato a comportarsi collettivamente, formando un condensato di Bose-Einstein (BEC), un prerequisito per la creazione del supersolido.
Per stimolare questo processo è stato utilizzato un laser pulsato, che ha eccitato i polaritoni e consentito loro di entrare in questo speciale stato quantico.
Fase 4: Modulazione della densità
Il cristallo fotonico ha imposto una periodicità ai polaritoni, creando una modulazione nella densità del condensato. Ciò è fondamentale per la formazione dello stato supersolido.
Fase 5: Osservazione della supersolidità
Il team ha misurato le proprietà del sistema e osservato la rottura spontanea della simmetria traslazionale, un segno che la luce stava mostrando un comportamento supersolido.
Fase 6: Analisi di coerenza e stabilità
Sono state effettuate misurazioni interferometriche per verificare la coerenza dello stato quantistico, confermando che i polaritoni mantenevano un comportamento supersolido senza perdita di fase.
Fase 7: Studiare l’impatto sulle applicazioni future
I ricercatori hanno analizzato il potenziale utilizzo del supersolido luminoso nei superconduttori, nell’informatica quantistica e nei dispositivi fotonici.
Il ruolo delle temperature estreme
I supersolidi possono esistere solo in condizioni estreme, a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 °C).
In questo intervallo, l’agitazione termica delle particelle praticamente scompare, consentendo agli effetti quantistici di prendere il controllo del sistema. Ciò crea un ambiente ideale affinché emergano proprietà insolite, come la fusione di solidità e fluidità.
Quando non c’è abbastanza calore da causare un movimento casuale delle particelle, queste si dispongono spontaneamente in una struttura ordinata, senza interferenze termiche.
Questo comportamento porta alla formazione di un materiale estremamente stabile e privo di viscosità, cosa che non si verifica nei fluidi convenzionali, che presentano sempre una resistenza al movimento.
💡 Un esempio reale: l’elio-4
Una forma ben nota di questo fenomeno si verifica con l’elio-4. Una volta raffreddato a temperature estreme, diventa un superfluido, capace di scorrere senza resistenza e persino di sfidare la gravità, risalendo le pareti del suo contenitore. Ciò accade perché entra in uno stato quantistico in cui le normali leggi dei fluidi non sono più valide.
Ora, con la creazione del supersolido di luce, gli scienziati hanno dimostrato che queste proprietà quantistiche non sono limitate ai soli atomi.
L’impatto sul calcolo quantistico e sull’hardware futuro
Ciò che rende questa scoperta ancora più entusiasmante è il suo potenziale impatto sul mondo dell’informatica e dei dispositivi elettronici. Dopotutto, la scoperta potrebbe portare a progressi impressionanti nel campo dell’informatica quantistica, dei superconduttori ad alta efficienza e persino a nuovi tipi di lubrificanti senza attrito per tecnologie all’avanguardia.
I supersolidi possono aiutare ad aprire la strada a:
- Superconduttori più efficienti: l’assenza di resistenza potrebbe consentire una trasmissione di elettricità senza perdite, migliorando le reti di elaborazione ad alte prestazioni.
- Calcolo quantistico: lo stato supersolido può contribuire allo sviluppo di qubit più stabili, aumentando l’efficienza e l’affidabilità dei computer quantistici.
- Memorie ultraveloci: i dispositivi basati sui supersolidi potrebbero archiviare ed elaborare informazioni a velocità senza precedenti.
- Nuovi materiali per chip e circuiti: la possibilità di creare superfici quantistiche che combinano fluidità e struttura apre la strada ad architetture innovative.
“ La ricerca dimostra che la luce può essere controllata in modi inimmaginabili, aprendo le porte a un futuro in cui l’informatica quantistica raggiungerà livelli di efficienza precedentemente ritenuti impossibili.”
Supersolidi di luce contro le tecnologie attuali
| Parâmetro | Supersólidos de Luz | Tecnologias Atuais (Silício) |
|---|---|---|
| Temperatura de operação | Criogênica próximo ao zero absoluto (~-273°C) | Temperatura ambiente (~25°C) |
| Velocidade de processamento (teórica) | Potencialmente 1000x mais rápidoque semicondutores convencionais | Geralmente até alguns GHz (1-5 GHz em CPUs comuns) |
| Consumo de energia | Extremamente baixo(quase sem dissipação de calor) | Médio a alto (dissipação de calor requer resfriamento) |
| Escala de fabricação | Ainda em estágio experimental, sem produção em larga escala | Produzido em escala massiva(bilhões de chips por ano) |
| Tempo de desenvolvimento até aplicação comercial | Estimado em pelo menos 10-20 anos | Já consolidado, evolução incremental a cada ano |
( fontes: Adrenaline )
