I supersolidi rappresentano uno stato della materia che sfida l'intuizione comune: rigidi come cristalli ma capaci di scorrere senza attrito come i superfluidi. Fino a pochi anni fa erano solo una previsione teorica, ma oggi i ricercatori sono riusciti non solo a crearli in laboratorio, ma anche a svelarne comportamenti sorprendenti quando vengono sottoposti a rotazione.
Il gruppo di ricerca guidato da Francesca Ferlaino presso l'Università di Innsbruck ha fatto una scoperta che collega la meccanica quantistica a fenomeni osservabili anche nella vita quotidiana. Gli scienziati hanno dimostrato che anche la materia quantistica esotica può sincronizzarsi, proprio come i pendoli degli orologi che oscillano all'unisono o le lucciole che lampeggiano simultaneamente. Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Physics, apre nuove prospettive sia per la comprensione teorica che per le applicazioni pratiche.
La chiave dell'esperimento sta in una tecnica chiamata "magnetostirring", con cui i fisici hanno fatto ruotare un gas quantistico superfluido utilizzando campi magnetici accuratamente controllati. Il materiale utilizzato è costituito da atomi di disprosio raffreddati a temperature estremamente vicine allo zero assoluto, nell'ordine dei miliardesimi di grado. In queste condizioni estreme, la materia assume proprietà quantistiche macroscopiche che permettono di osservare fenomeni altrimenti invisibili.
"Le goccioline quantistiche del supersolido sono disposte in un ordine periodico simile a un cristallo, tutte immerse in un superfluido che le circonda", spiega Ferlaino. Quando il sistema viene messo in rotazione, ogni gocciolina inizia a precessare seguendo il campo magnetico esterno, mentre tutte insieme compiono un moto di rivoluzione collettivo. Ma è nel momento in cui si formano i vortici quantistici che accade qualcosa di straordinario: la precessione e la rivoluzione cominciano a ruotare in modo sincronizzato.
Elena Poli, responsabile della modellizzazione teorica, sottolinea l'aspetto inatteso della scoperta: "Ci ha sorpreso che la struttura cristallina del supersolido non ruotasse semplicemente in modo caotico. Una volta formati i vortici quantistici, l'intera struttura è entrata in risonanza con il campo magnetico esterno". Andrea Litvinov, che ha condotto gli esperimenti, ricorda l'emozione nel vedere i dati sperimentali coincidere improvvisamente con le previsioni teoriche: "C'è stato un momento in cui il sistema ha letteralmente 'agganciato il ritmo'", racconta.
Questa sincronizzazione non è solo un fenomeno affascinante dal punto di vista teorico. Fornisce agli scienziati uno strumento potente per indagare le proprietà dei sistemi quantistici. Monitorando il processo di sincronizzazione, il team è riuscito a determinare la frequenza critica alla quale compaiono i vortici, una proprietà fondamentale dei fluidi quantistici in rotazione che fino ad ora era stata difficile da misurare direttamente.
Le implicazioni di questa ricerca potrebbero estendersi ben oltre le pareti del laboratorio. Dinamiche simili dei vortici sono ritenute responsabili dei cosiddetti "glitch" improvvisi osservati nelle stelle di neutroni, alcuni degli oggetti più densi dell'universo. "I supersolidi sono un campo di gioco perfetto per esplorare questioni altrimenti inaccessibili", afferma Poli. "Sebbene questi sistemi vengano creati in trappole di laboratorio grandi pochi micrometri, il loro comportamento potrebbe rispecchiare fenomeni su scala cosmica".
Il successo dell'esperimento è il frutto di una stretta collaborazione tra teoria e sperimentazione. I ricercatori hanno combinato simulazioni avanzate con esperimenti delicati, catturando l'evoluzione del supersolido con alta precisione. Il lavoro è stato condotto in collaborazione con il Pitaevskii BEC Center dell'Università di Trento, dimostrando come la ricerca d'avanguardia in fisica quantistica richieda competenze complementari e creatività scientifica.
Ferlaino, che dirige il gruppo presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale dell'Università di Innsbruck e l'Istituto per l'Ottica Quantistica e l'Informazione Quantistica dell'Accademia Austriaca delle Scienze, attribuisce il merito del risultato alla sinergia del team: "Questo lavoro è stato reso possibile dalla stretta collaborazione tra teoria ed esperimento e dalla creatività dei giovani ricercatori del nostro gruppo". I supersolidi dipolar nei gas quantistici sono una realtà sperimentale solo da pochi anni, ma stanno già rivelando segreti che potrebbero connettere il mondo subatomico con fenomeni astrofisici distanti miliardi di chilometri.