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È stato pubblicato su Nature Materials e certamente contribuirà a espandere i confini della ricerca su un tema tanto complesso quanto ricco di potenziale nello sviluppo di future tecnologie e nel comprendere le proprietà quantistiche della materia

Si tratta di un recentissimo studio condotto dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Nanotec-Cnr) di Lecce i cui risultati sono stati diffusi sulle principali testate del settore dimostrando, per la prima volta, come la formazione spontanea di un ordine topologico, descritta per gli atomi – e valsa il premio Nobel per la fisica nel 2016 ai tre scienziati, Thouless, Haldane e Kosterlitz – possa replicarsi in sistemi fotonici.

Riassumiamo così il risultato:
le particelle di luce – i fotoni – possono, supportati da una forte interazione fra loro, creare spontaneamente una sintonia sviluppando un ordine laddove questo, per natura, non dovrebbe esistere

Tanto vita, tanto natura quanto lontana, questa materia, dal lasciarsi comprendere dai non addetti al settore.

Ne parliamo con Dario Ballarini, ricercatore del Nanotec-Cnr di Lecce e autore dello studio.

Fra i banchi di scuola ricordiamo sicuramente il nostro insegnante di scienze raccontarci come la materia non sia, nella sua struttura, ininterrotta e continua bensì costituita da minuscole particelle, vicine e al contempo distaccate fra loro, chiamate molecole. Particelle che fra loro interagiscono impedendo alla materia di disgregarsi e conferendo a essa, in base alla forza e all’ordine con le quali si dispongono, uno stato fisico.

Ci sono diversi stati della materia – commenta Ballarini – oltre a liquido, solido, gassoso e plasma. Per esempio stati ferromagnetici o superfluidi. Diversi stati corrispondono a diversi tipi di relazioni che uniscono le particelle che compongono il sistema“.

E come si definisce uno stato di “ordine topologico“?

L’ordine si riferisce a come si comporta ogni particella in relazione alle altre per minimizzare l’energia totale del sistema. Per esempio, in stati ferromagnetici della materia ogni particella si orienta nella stessa direzione

Usando la metafora della danza – continua – ogni individuo danza esattamente come tutti gli altri, in sincronia. Ma questa è una proprietà locale, una serie di regole a cui soggiace ogni danzatore del gruppo. L’ordine topologico è invece una danza “collettiva”, dove le simmetrie emergono solo guardando il gruppo nel suo insieme e non osservando singolarmente ogni individuo. O particella, nel nostro caso

A livello microscopico parliamo di quantistica

Le transizioni di fase – continua Ballarini – sono regolate dal tipo di statistica cui obbediscono le particelle che compongono il sistema, cioè bosoni o fermioni. Ad alte temperature, di solito le relazioni quantistiche sono cancellate da fluttuazioni termiche, e perdono di importanza. Ma in sistemi sufficientemente isolati le proprietà di simmetria quantistica emergono e particelle fermioniche o bosoniche hanno comportamenti collettivi completamente differenti

Una transizione di fase avviene quando, al variare di un parametro (di solito la temperatura) cambiano improvvisamente le relazioni fra i costituenti elementari di un sistema ma se la meccanica statistica è riuscita a spiegare incredibilmente bene il cambiamento di stato in equilibrio, cioè per sistemi dove la temperatura è costante e identica in ogni punto, non altrettanto vale quando il sistema viene aperto.

Le particelle entrano ed escono, complicando tutto ma permettendo anche al sistema di essere letto e scritto più facilmente, per esempio per scopi tecnologici

Capiamo dunque perché aver pensato alla luce

La componente fotonica ci permette di lavorare a temperature più alte e può essere utile per applicazioni tecnologiche ma limita l’isolamento del sistema. La dualità onda-particella permette di pensare ai fotoni come se fossero atomi ma più facili da maneggiare. Se il fotone ha una massa, ed è capace di interagire, l’analogia è completa. Per questo usiamo fotoni in cavità di semiconduttore, per dare ai fotoni massa e interazioni e dove la luce possa rimanere confinata in sottili strati bidimensionali per un certo tempo prima di essere riemessa

Perché – ci spiega – “per avere ordine topologico non è sufficiente la coerenza spaziale fra due punti distanti ma è necessaria anche quella temporale, cioè quella del punto con se stesso in tempi diversi

La coerenza spaziale, ricorrendo ancora alla metafora della danza, è la sincronia fra danzatori in punti diversi della pista da ballo allo stesso istante. La coerenza temporale, la sincronia di un punto spaziale con se stesso in tempi diversi

Occorre dunque intrappolare la luce sufficientemente a lungo da permettere alle interazioni di prevalere sul disordine

Panta Rei” dicevano i greci… forse non sapevano che, dopo tanti anni, oltre all’acqua noi l’avremmo dedicata pure alla luce!


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