I supersolidi esistono

Lo conferma un oscillatore di torsione

di Silvia Fracchia

Sembra proprio confermata l’esistenza di un nuovo stato di aggregazione della materia: la supersolidità.

Che cos’è un solido? Dal punto di vista microscopico possiamo descriverlo come una struttura rigida, formata da un insieme di atomi, molecole e ioni fortemente legati tra loro e organizzati in strutture più o meno regolari. Un solido, a differenza di un fluido, non “scorre”. Se si estende il concetto di viscosità ai solidi, si può pensare che essa sia molto più grande per loro che per i fluidi.

Sembra però che certi solidi, a temperature prossime allo zero assoluto, diventino a loro volta capaci di scorrere: sono i supersolidi, ossia porzioni di materiale con atomi disposti in modo ordinato e in assenza di viscosità. Gli atomi dei supersolidi possono quindi scorrere tra loro senza attrito, analogamente a quanto avviene per i superfluidi.

Le prove sperimentali dell’esistenza di questo particolare stato condensato della materia sono descritte in un articolo su Science Express. Il lavoro svolto dal coreano Han-Lim Choi, del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), e dai suoi collaboratori è il perfezionamento di un esperimento eseguito nel 2004 da Eunseong Kim, ora al KAIST, e Moses Chan, della Pennsylvania State University, negli Stati Uniti, che per la prima volta mostrò evidenze della supersolidità dell’elio, già prevista teoricamente nel 1970.

L’esperimento prevedeva la riduzione dell’elio gassoso allo stato solido mediante il raffreddamento fino a temperature vicine allo zero assoluto, a una pressione di almeno 25 atmosfere, in modo da ottenere una struttura cristallina. Dopodiché quest’elio compresso andava a riempire una capsula cilindrica che veniva fatta ruotare e oscillare per mezzo di un oscillatore di torsione.

L’oscillatore di torsione utilizzato nell’esperimento del 2004 di Chan e Kim. (Cortesia: Penn State)

Risultò che la frequenza delle oscillazioni aumentava man mano che la temperatura si avvicinava allo zero assoluto. Kim e Chan ipotizzarono che parte dell’elio contenuto nella capsula restasse completamente fermo, riducendo la massa dell’elio in rotazione: questo è spiegabile se si pensa che una parte dell’elio sia passata allo stato di supersolidità e, non risentendo più dell’attrito, permetta al materiale rimanente di passarle attraverso.

All’inizio di quest’anno, tuttavia, un professore della Cornell University a Ithaca, negli Stati Uniti, John Reppy, si è dichiarato scettico nei confronti delle conclusioni di Kim e Chan e ha asserito che il fenomeno osservato potrebbe avere un’altra spiegazione. L’elio, a suo dire, potrebbe aver compiuto una transizione di fase, entrando in un particolare stato di aggregazione della materia detto quantum plastic, caratterizzato da un forte aumento dell’elasticità. Sarebbe questo il motivo della crescente frequenza delle oscillazioni.

Nell’articolo su Science Express, Choi e i suoi collaboratori (tra i quali è presente anche Kim) hanno fornito una prova che Reppy ha torto. Se davvero l’elio fosse in stato di quantum plastic, ripetendo l’esperimento e nel contempo facendo ruotare tutto l’apparecchio di torsione a velocità costante e in una sola direzione il risultato non dovrebbe cambiare.

Invece i risultati cambiano, eccome. Questa volta succede che le oscillazioni non aumentano più al diminuire della temperatura. Si tratta di un’ulteriore conferma dell’ipotesi della supersolidità: infatti una rotazione costante causerebbe la formazione di vortici nel supersolido, disturbando così le proprietà quantistiche del materiale e riducendone la supersolidità.

Ulteriori evidenze sperimentali della supersolidità dell’elio sono descritte in un articolo di Yaroslav Lutsyshyn, del Politecnico della Catalogna a Barcellona, e dei suoi collaboratori: nel loro esperimento viene verificata la teoria secondo la quale la scorrevolezza dell’elio supersolido è dovuta alla formazione di buchi nel reticolo cristallino. Lutsyshyn e i suoi colleghi hanno osservato la formazione dei buchi nel reticolo a diverse pressioni e sono giunti a un risultato entusiasmante: la pressione alla quale si formano buchi con maggior facilità coincide con quella alla quale Kim e Chan identificarono la maggior proporzione di elio supersolido nel proprio campione.

Insomma, sebbene Reppy non sia ancora del tutto convinto, sembrano ormai rimasti ben pochi dubbi sull’esistenza dei supersolidi.