Il colore delle porte della città di Flatland

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A bassa temperatura e con elevati campi magnetici, il silicato di rame e bario, noto come porpora cinese, "perde una dimensione".

Finora la sostanza che dà origine al pigmento “porpora cinese” (Han purple) aveva interessato quasi esclusivamente gli storici dell’arte, dato che esso rappresenta uno dei principali colori le cui tracce sono state rinvenute sulle statue della famosa “armata di terracotta”. Da oggi le cose cambiano. Un gruppo internazionale di ricercatori che fanno capo alla Stanford University, al Los Alamos National Laboratory (LANL) e all’Università di Tokio hanno infatti scoperto che questo silicato di rame e bario, portato a bassissima temperatura e sottoposto a un elevato campo magnetico “perde una dimensione”: i ricercatori hanno paragonato il nuovo stato assunto dalla materia in quelle condizioni alla Flatland dell’omonimo racconto scritto da Edwin Abbott nel 1884. Come in quel paese bidimensionale, infatti, a quel punto gli spin delle particelle interagiscono solo in due dimensioni, e gli spin delle particelle che si trovano nella terza dimensione diventano ininfluenti. Come riferiscono sul numero odierno di "Nature", a bassissima temperatura quel silicato intercetta il punto critico quantistico e subisce una transizione di fase quantistica. “Una dimensionalità ridotta – ha detto Ian Fisher, uno degli autori – è un elemento chiave di molte teorie esotiche che cercano di dar conto di molti fenomeni ancora poco compresi, ivi inclusa la superconduttività ad alta temperatura, ma finora non esisteva alcun chiaro esempio di una ‘riduzione dimensionale’ in materiali reali.” Normalmente il silicato di rame e bario è isolante, le coppie di spin opposto si cancellano a vicenda e non si evidenzia alcun ordine. Sottoposto a campo magnetico si manifesta un ordinamento legato alle interazioni fre gli elettroni limitrofi, in tutte e tre le dimensioni. Se il campo magnentico è molto elevato (23 tesla, 800.000 volte il campo magnetico terrestre) e la temperatura è prossima allo zero assoluto, il silicato entra in uno stato particolare detto condensato di Bose-Einstein, in cui gli spin degli elettroni si comportano come un tutto unico. Al punto critico, però, gli spin ordinati nel condensato perdono una dimensione; ovvero, se si pensa al silicato come a una successione di strati, gli spin di uno strato non possono influenzare quelli di uno strato immediatamente adiacente. Le onde magnetiche viaggiano soltanto all’interno di un piano bidimensionale e non attraverso tutto il materiale.

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Due studi, uno teorico e uno sperimentale, gettano luce sulle misteriose trasformazioni elettromagnetiche legate alla superconduttività ad alta temperatura.
Un team di fisici guidato da ricercatori della Rice University ha sviluppato il primo metodo termodinamico per classificare sistematicamente le transizioni di fase quantiche, misteriose trasformazioni elettromagnetiche che si ritiene svolgano un ruolo nella superconduttività alle alte temperature. La ricerca è stata descritta in due articoli, uno teorico e uno sperimentale, pubblicati sul numero dell8 agosto della rivista "Physical Review Letters". Lo studio teorico prevede che un'irregolarità matematica chiamata divergenza si verifichi in ogni "punto critico quantistico" attraversato dai materiali quando cambiano fase. Lo studio sperimentale descrive l'osservazione di una divergenza simile nel punto critico quantistico di due metalli con caratteristiche quantistiche molto differenti. "Una delle maggiori questioni nel campo della fisica della materia condensata - spiega Qimiao Si, docente di fisica e astronomia e principale ricercatore dello studio - riguarda se la superconduttività delle alte temperature sorga dai punti critici quantistici. La classificazione di questi punti è un passo importante verso una risposta a questa domanda". Di solito la materia si trasforma attraverso cambiamenti di fase. Il ghiaccio che fonde e l'acqua che bolle, per esempio, sono transizioni di fase che sorgono da cambiamenti di temperatura e che possono essere facilmente descritte usando la fisica classica. Negli ultimi anni, però, i fisici hanno scoperto le transizioni di fase quantiche, mutamenti dovuti interamente alle fluttuazioni quantistiche, le oscillazioni delle particelle subatomiche descritte dal principio di indeterminazione di Heisemberg. Il lavoro teorico di Si e colleghi parte dal fatto che le grandezze termodinamiche, come il calore specifico, spesso divergono nei punti critici classici. Il team prevede che il rapporto di Grüneisen fra l'espansione termica e il calore specifico debba divergere in modo prevedibile in qualsiasi materiale che si avvicina a un punto critico quantistico. Per sperimentare questa teoria, i ricercatori hanno collaborato con il gruppo di Frank Steglich del Max-Planck-Institut di chimica e fisica dei solidi di Dresda, in Germania. Gli scienziati hanno scelto due composti di fermioni pesanti basati su cerio e itterbio, i cui punti critici quantistici corrispondono allo zero assoluto, la temperatura più bassa possibile. Poiché è impossibile raggiungere lo zero assoluto in laboratorio, il team ha raffreddato i metalli fino a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto. Hanno così scoperto che il rapporto di Grüneisen divergeva come previsto in entrambi i metalli man mano che si avvicinavano allo zero assoluto. Dalle divergenze, i ricercatori hanno concluso che i due metalli appartengono a due differenti classi di transizione di fase quantica. Una di queste è la transizione di fase localmente critica, una nuova classe di transizioni quantiche proposta da Si e colleghi due anni fa in un articolo sulla rivista "Nature". "Se il nostro sistema di classificazione funzionerà con altri materiali, - afferma Si - avremo per la prima volta un metodo termodinamico generale per studiare i punti critici quantistici. Tutto questo sarà molto utile ai fisici che si occupano di superconduttori alle alte energie".

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