Elaborazione artistica dei droplet quantistici scoperti dai fisici del JILA. Crediti: Brad Baxley/JILA
Chi, domani mattina, si troverà sotto gli occhi la rivista cartacea Nature fresca fresca di stampa, per un attimo penserà di aver preso in mano un giornale di architettura. Sulla copertina del volume 506, numero 7489, spiccano tre piramidi cilindriche che sembrano emergere direttamente dalle acque, come scintillanti monumenti postmoderni: la prima, che occupa oltre tre quarti di pagina, arriva persino a trafiggere la N del secolare settimanale di scienza.
Nessun errore: le imponenti strutture dai colori cangianti stanno esattamente al loro posto. E celebrano l’ultima scoperta della fisica quantistica, i cosiddetti “quantum droplet” o “dropleton“. Letteralmente tradotti come “goccioline quantistiche”, sono misteriosi ibridi tra liquidi e particelle: un po’ di caratteristiche degli uni, un po’ delle altre.
Per capire di che si tratta, occorre uscire dalle categorie delle grandezze fisiche a cui siamo abituati. Torniamo all’immagine di Nature: la piramide che sembra stagliarsi fuori dall’acqua produce anche delle increspature, che si allargano in modo concentrico attorno alla sua base. Ecco, la generazione di queste onde fa parte delle proprietà dei liquidi; i “livelli” della piramide, invece, corrispondono agli stati quantici, che sono proprietà delle particelle. Il tutto avviene nell’ordine di grandezza dell’infinitamente piccolo.
Crediti: Brad Baxley/JILA
Ma che cosa genera questa strana unione liquido-particellare? La risposta arriva dal JILA, uno dei più grandi centri di ricerca di fisica statunitensi, formato dalla collaborazione tra il National Institute of Standards and Technology e l’Università del Colorado Boulder. Qui un gruppo di ricercatori ha utilizzato laser ultraveloci per studiare le caratteristiche dei dopler quantistici, giungendo alla conclusione che si tratta di quasiparticelle molto particolari.
In fisica dei materiali, la quasiparticella è sempre stata considerata un’entità di tipo particellare. Non proprio una particella, ma come dice il nome stesso, quasi: un fenomeno che si presenta quando un sistema microscopico si comporta come se contenesse delle particelle che interagiscono debolmente nello spazio.
Pensiamo ad esempio alle bolle che si formano in un bicchiere di birra: la singola bolla non è un’entità indipendente ma un fenomeno, per così dire, del liquido, con un suo volume e delle sue caratteristiche specifiche. Allo stesso modo, le quasiparticelle hanno caratteristiche proprie, come la dimensione, la quantità di energia, il momento, la forma.
Crediti: Brad Baxley/JILA
Nel caso dei quantum droplet, è proprio la forma a destare stupore: una “goccia” che, secondo i fisici del JILA, è costituita da un sistema microscopico di elettroni e lacune.
Pochissimi, a dire il vero, e questa è stata la seconda caratteristica insolita. “I sistemi elettrone-lacuna sono noti nei semiconduttori, ma di solito contengono da migliaia a milioni di elettroni e di lacune” ha detto Steven Cundiff, tra gli autori della scoperta. “Qui invece parliamo di droplet con circa cinque elettroni e cinque lacune”.
Forse proprio per questo la loro vita è così breve: si parla di un fenomeno che dura circa 25 picosecondi (ovvero trilionesimi di secondo). Ma è sufficiente perché il droplet raggiunga stabilità, permettendo quindi ai fisici di analizzare come la luce interagisce con questa particolarissima forma di materia.
Dal punto di vista tecnico, la squadra del JILA ha lavorato eccitando un semiconduttore gallio-arsenico dotato di un laser in grado di emettere 100 milioni di pulsazioni al secondo. Inizialmente si sono formate quasiparticelle chiamate eccitoni, sistemi di materia condensata. Ma all’aumentare dell’intensità delle pulsazioni, e quando la densità degli eccitoni raggiungeva un certo livello, ecco che sono comparsi i droplet quantistici, che come bolle tenute insieme dalla pressione si sono raggruppati nel plasma che le circondava (il liquido increspato della foto).
I dati del JILA sono stati poi confrontati con le analisi teoriche di un gruppo di ricerca dell’Università di Marburg, in Germania, e i risultati si sono rivelati coerenti tra loro.
Secondo i fisici, questa scoperta può aiutare notevolmente la comprensione di come gli elettroni interagiscono tra loro in vare situazioni. E non si escludono possibili applicazioni nell’optoelettronica, la branca che studia l’interazione tra i dispositivi elettronici e la luce. Occhi puntati sull’architettura dei droplet, quindi: con le loro eleganti forme allungate, potrebbero riservare nuove sorprese.