La fisica della materia condensata ha infranto una barriera ritenuta per decenni quasi insormontabile. Un consorzio scientifico composto da ricercatori dell’Università di Varsavia, dell’Università Tecnologica Militare di Varsavia, di IBM Research Zurich e del CNRS francese è riuscito a generare e osservare uno stato supersolido a temperatura ambiente. La scoperta, descritta in dettaglio sulla rivista scientifica Science Advances e annunciata ufficialmente dai canali istituzionali dell’Università di Varsavia, trasferisce finalmente uno dei fenomeni più elusivi della meccanica quantistica dai laboratori a temperature prossime allo zero assoluto direttamente al regime termico ordinario, aprendo prospettive inedite per l’optoelettronica avanzata e il calcolo neuromorfico.
Che cos’è un supersolido e perché sfida le leggi convenzionali
Per comprendere l’eccezionalità del risultato è necessario chiarire la natura paradossale di questa fase. Un supersolido è uno stato esotico della materia che racchiude simultaneamente due proprietà considerate antitetiche nell’esperienza quotidiana: la capacità di scorrere senza alcun attrito o viscosità, tipica di un superfluido, e la presenza di un reticolo spaziale periodico e ordinato, caratteristica intrinseca dei solidi cristallini. In un materiale comune le particelle sono bloccate in posizioni fisse nel reticolo, mentre in un liquido ideale esse possono muoversi liberamente ma sono distribuite in modo disordinato nello spazio. Nel supersolido questi due comportamenti coesistono all’interno della medesima entità quantistica.
Ipotizzata sul piano teorico alla fine degli anni Sessanta da fisici pionieri, l’esistenza di questo stato controintuitivo ha richiesto quasi mezzo secolo per trovare una prima conferma sperimentale. Soltanto nel 2017 alcuni laboratori internazionali erano riusciti a osservare una fase supersolida all’interno di gas atomici ultrafreddi. Quell’approccio, tuttavia, imponeva una limitazione tecnologica enorme: l’impiego di costosi e ingombranti sistemi di raffreddamento criogenico capaci di abbassare la temperatura a frazioni infinitesimali sopra lo zero assoluto, a temperature misurate in frazioni di miliardesimi di kelvin. L’attuale traguardo cambia radicalmente le regole del gioco perché elimina del tutto la necessità della criogenia, dimostrando che l’ordine quantistico macroscopico può prosperare anche nel calore dell’ambiente ordinario.
L’architettura del dispositivo tra polaritoni eccitonici e cristalli liquidi
La svolta dei ricercatori risiede nell’aver abbandonato gli atomi neutri tradizionali per puntare su particelle quantistiche del tutto differenti: i polaritoni eccitonici. Si tratta di quasiparticelle ibride di luce e materia, nate dall’accoppiamento ultra-forte tra i fotoni intrappolati in una cavità e le eccitazioni elettroniche, note come eccitoni, generate all’interno di un mezzo materiale. Queste entità ibride possiedono una massa efficace minuscola e mantengono una vita media brevissima, nell’ordine dei picosecondi. Tuttavia, questo minuscolo intervallo di tempo è ampiamente sufficiente a innescare la transizione di fase verso un condensato di Bose-Einstein, all’interno del quale una moltitudine di polaritoni collassa nello stesso stato quantistico fondamentale, comportandosi all’unisono come un superfluido quantistico.
Il cuore dell’esperimento è un microdispositivo ottico altamente ingegnerizzato. Gli scienziati hanno costruito una microcavità ottica riempita con uno strato di cristallo liquido nematico, confinato tra due specchi riflettenti e rivestito con sottili film del polimero organico coniugato MeLPPP, responsabile delle risonanze eccitoniche ad alta efficienza. La matrice di cristallo liquido introduce una particolare interazione relativistica nota come accoppiamento spin-orbita di Rashba-Dresselhaus. Questo effetto modifica la struttura a bande del sistema e sdoppia la curva di dispersione energetica, generando due minimi energetici degeneri. Quando il campione viene eccitato mediante un impulso laser, il condensato quantistico popola simultaneamente entrambi i minimi: la loro interferenza reciproca rompe la continuità spaziale e genera spontaneamente la fase supersolida.
La firma sperimentale tra rottura di simmetria ed elica di spin persistente
L’identificazione inequivocabile della fase è avvenuta analizzando le caratteristiche della luce emessa dal dispositivo sotto eccitazione ottica. Sul piano sperimentale, il segnale si è manifestato con la comparsa di frange di interferenza periodiche regolarmente distanziate nel profilo spaziale del fascio. Queste bande luminose rappresentano la modulazione periodica della densità del condensato, ossia la prova visibile di una struttura cristallina creata da un fluido quantistico di luce.
Un elemento decisivo per convalidare il fenomeno è stata l’osservazione della rottura spontanea della simmetria. A ogni nuovo impulso laser indirizzato sul campione, le frange periodiche si posizionavano in coordinate spaziali differenti, dimostrando che il sistema sceglie in maniera del tutto autonoma e probabilistica una configurazione tra le molteplici opzioni energeticamente equivalenti previste dai calcoli. Come ha evidenziato il fisico teorico Guillaume Malpuech dell’Institut Pascal del CNRS, l’esperimento ha fornito una dimostrazione da manuale delle previsioni teoriche, confermando che il fluido compie una transizione di fase genuina. Inoltre, il condensato ha manifestato un’elica di spin persistente, vale a dire una modulazione regolare e continua della polarizzazione della luce emessa. Nel sistema coesistono dunque due ordini sincronizzati: un reticolo spaziale di densità e un reticolo ordinato di polarizzazione magnetica.
Robustezza termica, controllo di voltaggio e orizzonti applicativi
La stabilità termica del dispositivo polacco-franco-svizzero ha superato perfino la consueta definizione di condizioni ambientali. Secondo quanto riferito dal professor Wiktor Piecek dell’Università Tecnologica Militare di Varsavia, il cui gruppo ha sviluppato i cristalli liquidi su misura, la cavità è in grado di operare stabilmente fino a temperature prossime ai sessanta gradi Celsius. Questo margine termico scongiura qualsiasi rischio di degradazione termica durante l’impiego standard.
Accanto alla resistenza termica spicca un altro elemento di forte rilevanza tecnologica: il dispositivo rappresenta la prima piattaforma supersolida a polaritoni direttamente sintonizzabile tramite tensione elettrica. Applicando un semplice campo elettrico esterno ai capi della cavità, i ricercatori possono orientare le molecole del cristallo liquido e rimodulare le proprietà ottiche e quantistiche del condensato in tempo reale, senza dover modificare il campione né ricorrere a complessi apparati meccanici.
Per contestualizzare correttamente il risultato è opportuno chiarire la natura fisica dell’oggetto osservato. Non siamo di fronte a un blocco macroscopico di minerale che scorre lungo un condotto, bensì a un fluido quantistico di luce che vive per frazioni infinitesimali di secondo. Di conseguenza, le potenziali ricadute pratiche prospettate dagli autori, tra cui lo sviluppo di dispositivi fotonici ultraveloci, acceleratori hardware per l’intelligenza artificiale neuromorfica e sensori ottici ultrasensibili, rappresentano traguardi di medio-lungo termine e non prodotti commerciali pronti all’uso.
Resta il fatto che la fisica fondamentale ha compiuto un balzo in avanti di rilievo storico. Stati quantistici complessi che fino a ieri esigevano gigantesche macchine criogeniche possono ora essere generati, modulati e analizzati sopra un comune banco ottico a temperatura ambiente, governati da un semplice comando elettrico.