UN CASO DI ENTROPIA COSTANTE

Quasiparticelle quasi immortali

I fononi e altre quasiparticelle introdotte da Landau per semplificare il problema a molti corpi della meccanica quantistica sarebbero, a sorpresa, un caso di entropia costante: per ogni quasiparticella che decade nel tempo un’altra del tutto identica alla prima spunta fuori dal nulla

Le forti interazioni quantistiche impediscono il decadimento delle quasiparticelle. Crediti: K. Verresen / Technische Universität München.

Who wants to live forever? I fononi. Lo dicono i ricercatori della Technische Universität di Monaco e dell’Istituto Max Planck in un articolo appena pubblicato su Nature Physics.

Cosa sono i fononi? Domanda legittima: i fononi sono quasiparticelle, ovvero quelle che i fisici chiamano amichevolmente “particelle vestite” e che possiamo immaginare come l’insieme di una particella singola e della circostante nuvola costituita da altre particelle, trascinate nel moto del fonone – nel nostro caso – attraverso un sistema.

Introdotte dal premio Nobel sovietico Lev Landau per semplificare il problema a molti corpi della meccanica quantistica, le quasiparticelle si basano su equazioni di norma più semplici di quelle che regolano la dinamica delle sottostanti particelle interagenti.

Detto questo, dov’è la notizia? La notizia è che i suddetti fononi non sarebbero soggetti a entropia. L’unità di misura del disordine presente in un sistema fisico che ci è tanto di conforto per spiegare un sacco di fenomeni naturali – la pizza che si inforna non può ritornare cruda, il vetro rotto non si rimettere insieme schioccando le dita – non sarebbe dunque sempre valida. Almeno a livello microscopico.

It’s a kind of magic? No. E comunque con le citazioni dei Queen ci fermiamo qui.

«Fino a ieri abbiamo pensato che all’interno di sistemi quantistici interagenti, le quasiparticelle subissero nel tempo un irreversibile processo di decadimento. Ora sappiamo che è vero il contrario. Le interazioni forti possono generare un sistema a entropia costante», spiega Frank Pollmann, docente di fisica teorica della TUM e che per la ricerca sulla dinamica della materia quantistica correlata ha ricevuto un ERC grant, un finanziamento europeo.

I modi vibrazionali in un reticolo cristallino associati agli spostamenti atomici – i cosiddetti fononi – sarebbero un esempio di questa entropia costante. Oggi abbiamo modelli matematici e computer in grado di macinare dati che ci permettono di fare simulazioni elaborate. E i risultati sono impressionanti: man mano che le quasiparticelle decadono nel tempo, nuove quasiparticelle risorgono dal disordine in un movimento oscillatorio di decadimento e rinascita che rende le quasiparticelle praticamente immortali.

Una scoperta che, fra le altre cose, spiegherebbe tutta una serie di fenomeni fisici ancora avvolti da mistero. Come la sorprendente stabilità del composto magnetico Ba3CoSB2O9, di cui è responsabile la quasiparticella conosciuta come magnone.

«Facciamo ricerca di base», sottolinea Pollmann. Come a dire: non sappiamo come questa scoperta possa esserci utile in futuro, ma non possiamo escludere che possa tornarci utile a breve, ad esempio per costruire solidi dispositivi di memoria per i computer quantistici di domani.

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