Due nuovi stati della materia sono appena stati scoperti / Two new states of matter have just been discovered

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Dai quasicristalli superfludi a un materiale artificiale che è contemporaneamente ordinato e disordinato. Sono oggetto di due studi diversi. 

Avete mai sentito un materiale che si chiama quasicristallo e che è anche supefluido? E di un materiale sia ordinato che disordinato, che ha un comportamento intermedio fra quello classico e quello quantistico? Si tratta di due nuovi stati della materia, che si vanno ad aggiungere a quelli classici e più noti, come lo stato solido, liquido, aeriforme (e poi c’è anche il plasma quantistico). Queste scoperte sono frutto degli studi di due diversi gruppi di ricerca in fisica, una disciplina che regala sempre nuove opportunità – spesso bizzarre o – di conoscere il mondo, dall’infinitamente piccolo al gigantesco. Ecco di che cosa si tratta.

I “quasicristalli superfluidi”
Questo stato della materia è stato teorizzato oggi da un gruppo di ricerca della University of Texas a Dallas, che ha pubblicato i risultati su Physical Review Letters. Già dal nome, un superfluido è un materiale del tutto inusuale, in cui un liquido, raffreddato a temperature bassissime, riesce a fluire velocemente e in maniera super e non è per niente viscoso.

Per esempio, se il nostro caffè fosse superfluido, non smetterebbe di agitarsi anche molto tempo dopo che lo abbiamo mescolato con il cucchiaino, come se non vi fosse attrito con la tazzina. In questo caso, però, il superfluido è anche un quasicristallo. In generale, un cristallo – per esempio il sale – è una struttura solida in cui gli atomi si dispongono in maniera regolare e ripetuta (periodica), come su una scacchiera, in tre dimensioni.

Anche in questo caso, già dal nome si intuisce che il quasicristallo assume un comportamento simile a quello di un cristallo: la struttura è somigliante, ma la disposizione degli atomi non è così regolare, cioè non si ripete periodicamente.

In questo caso, però, il quasicristallo è anche superfluido, dunque il solido acquista proprietà che appartengono ad un liquido. Ma come può un solido essere anche fluido? La risposta è “con la quantistica”, in cui le barriere della fisica classica possono spesso essere superate. I ricercatori, infatti, hanno teorizzato un nuovo stato esotico della materia, rappresentato dall’incontro fra la superfluidità e la solidità del quasicristallo. Per ora si tratta di una teoria, anche se ben strutturata. “La buona notizia”, spiega il fisico Chuanwei Zhang, fra gli autori dello studio “è che non sarebbe necessario inventare nessuna nuova tecnologia per realizzare questo materiale”. Oltre ad essere nuovo, potrebbe avereproprietà interessanti per comprendere meglio tutte le proprietà della materia e anche per applicazioni (basti pensare alle caratteristiche dei supefluidi, sfruttate nei refrigeratori cosiddetti a diluizione).

Trovare un ordine nel disordine

I “dottori dello spin”, i fisici del Los Alamos National Laboratory, hanno individuato un nuovo stato della materia, basato su un materiale artificiale ordinato, il ghiaccio di spin, che di fatto è un sistema della fisica classica – quella che descrive tutti i fenomeni naturali e macroscopici che conosciamo (per esempio le leggi della caduta dei gravi e la termodinamica). Tuttavia, in questo caso il materiale “classico” segue le regole della fisica quantistica – la quale rientra nella cosiddetta fisica moderna – che descrive ciò che avviene nel mondo invisibile degli atomi e delle particelle e che ha regole tutte proprie e diverse da quelle della fisica classica. I risultati sono pubblicati su Nature Physics e disponibili per intero su ArXiv. Insomma, il nuovo stato della materia sarebbe una sorta di ibrido, a metà fra questi due mondi.

Un ghiaccio di spin è un materiale particolare, esistente anche in natura (come il minerale titanite), che alle bassissime temperature mostra un comportamento simile al ghiaccio. Solitamente, questo materiale è sensibili alle variazioni di temperatura e perde energia quando viene raffreddato. Nei ghiacci di spin costruiti dai ricercatori (con la geometria di Shakti), però, nonostante il raffreddamento, l’energia si manteneva costante. Questa caratteristica conferisce un elemento di disordine, che comporta una violazione delle leggi della fisica classica, in particolare di alcuni principi della termodinamica. La ragione si troverebbe in specifiche proprietà, chiamate topologiche, che rendono tali ghiacci un ibrido fra la fisica classica e la quantistica. Ed ora i ricercatori vogliono vedere se anche in natura esistono materiali del genere, dato che potrebbero avere importanti qualità, come un’elevata capacità di condurre corrente.

ENGLISH

From superflame quasicrystals to an artificial material that is both ordered and disordered. They are the subject of two different studies.

Have you ever heard of a material called quasicrystal and which is also supefluid? And of an ordered and disordered material, which has an intermediate behavior between the classical and the quantum one? These are two new states of matter, which are to be added to the classic and better known ones, such as the solid, liquid, aeriform (and then there is also the quantum plasma). These findings are the result of studies by two different research groups in physics, a discipline that always gives new opportunities - often bizarre or - to know the world, from the infinitely small to the gigantic. Here's what it is.

The "superfluid quasicrystals"

This state of matter was theorized today by a research group from the University of Texas in Dallas, which published the results on Physical Review Letters. Already from the name, a superfluid is a completely unusual material, in which a liquid, cooled at very low temperatures, manages to flow quickly and superbly and is not at all viscous.

For example, if our coffee was superfluid, it would not stop stirring a long time after we mixed it with the spoon, as if there was no friction with the cup. In this case, however, the superfluid is also a quasicrystal. In general, a crystal - for example the salt - is a solid structure in which the atoms are arranged in a regular and repeated (periodic) manner, as on a chessboard, in three dimensions.

Also in this case, from the name it is understood that the quasicrystal assumes a behavior similar to that of a crystal: the structure is similar, but the arrangement of atoms is not so regular, that is, it does not repeat itself periodically.

In this case, however, the quasicrystal is also superfluid, so the solid acquires properties that belong to a liquid. But how can a solid be also fluid? The answer is "with quantum", in which the barriers of classical physics can often be overcome. The researchers, in fact, have theorized a new exotic state of matter, represented by the encounter between the superfluidity and the solidity of the quasicrystal. For now it is a theory, even if well structured. "The good news", explains the physicist Chuanwei Zhang, among the authors of the study "is that it would not be necessary to invent any new technology to make this material". In addition to being new, it could have interesting properties to better understand all the properties of matter and also for applications (just think of the characteristics of supefluids, exploited in so-called dilution chillers).

Find an order in the mess

The "spin doctors", the physicists of Los Alamos National Laboratory, have identified a new state of matter, based on an ordered artificial material, spin ice, which is actually a system of classical physics - the one that describes all the natural and macroscopic phenomena we know (for example, the laws of gravity fall and thermodynamics). However, in this case the "classical" material follows the rules of quantum physics - which is part of the so-called modern physics - which describes what happens in the invisible world of atoms and particles and which has rules all different from those of physics classic. The results are published in Nature Physics and available in full on ArXiv. In short, the new state of matter would be a sort of hybrid, halfway between these two worlds.

Spin ice is a particular material, also found in nature (such as titanite mineral), which at very low temperatures shows a similar behavior to ice. Usually, this material is sensitive to temperature variations and loses energy when it is cooled. In spin ices built by researchers (with Shakti's geometry), however, despite the cooling, the energy remained constant. This characteristic confers an element of disorder, which involves a violation of the laws of classical physics, in particular of some principles of thermodynamics. The reason is found in specific properties, called topological, that make such ice a hybrid between classical physics and quantum physics. And now the researchers want to see if such materials exist in nature as well, since they could have important qualities, such as a high capacity to conduct electricity.

Da:

https://www.galileonet.it/2018/04/due-nuovi-stati-materia-appena-scoperti/