Un team di ricercatori dell’Università di Harvard e del Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera ha fatto un passo avanti sorprendente nel campo dei materiali quantistici e grazie a raggi X ultra-potenti e impulsi di luce laser ultra-brevi, sono riusciti a stabilizzare uno stato quantistico che normalmente durerebbe solo un battito di ciglia
I risultati su questi materiali quantistici pubblicati su Nature Materials, aprono la strada a nuove tecnologie che sembravano fantascienza fino a qualche tempo fa.
Cosa sono i materiali quantistici e perché ci interessano?
I materiali quantistici sono sostanze che, in certe condizioni, mostrano comportamenti fisici “strani”, ma straordinari: conduzione perfetta di corrente senza dispersione, capacità di immagazzinare energia in modo efficiente, o proprietà magnetiche completamente fuori dall’ordinario.
Il problema? Queste proprietà emergono solo per un istante quando il materiale viene colpito da un impulso di luce: e poi spariscono!
Troppo poco tempo per farne qualcosa di util, almeno fino ad ora.
Il trucco? Rompere la simmetria con un laser
Il team di Harvard e PSI ha studiato un materiale particolare, lo Sr₁₄Cu₂₄O₄₁ (sì, un nome complicato, ma puoi pensarlo come una sorta di “scala di atomi” di rame e ossigeno); in condizioni normali, le cariche elettriche all’interno del materiale non si spostano tra certe zone, perché sono “bloccate” da una simmetria elettronica.
Quello che hanno fatto i ricercatori è geniale: hanno usato un impulso laser progettato su misura per rompere temporaneamente questa simmetria. Così, le cariche si sono potute muovere dove prima non potevano, entrando in una nuova configurazione quantistica.
E la parte più sorprendente? Quando il laser si è spento, il sistema è rimasto “bloccato” in quello stato per alcuni nanosecondi. Sembra pochissimo, ma è mille volte più a lungo rispetto a quanto avviene normalmente: ed è davvero un’eternità nel mondo quantistico.
Raggi X ultraveloci per osservare l’impossibile
Per capire davvero cosa stava succedendo all’interno del materiale, i ricercatori hanno usato uno strumento d’avanguardia: lo SwissFEL, un laser a elettroni liberi che genera impulsi di raggi X velocissimi e luminosissimi; una specie di “super-macchina fotografica” in grado di catturare i movimenti degli elettroni in tempo reale.
Grazie a una tecnica chiamata tr-RIXS (scattering anelastico risonante di raggi X risolto nel tempo), sono riusciti a osservare, per la prima volta, come si forma e si stabilizza uno stato quantistico metastabile indotto dalla luce. In pratica, hanno filmato il comportamento degli elettroni in tempo reale, con una precisione impossibile fino a pochi anni fa.
Perché è importante tutto questo?
Stabilizzare questi stati quantistici non è solo una curiosità scientifica. Significa poter progettare materiali con proprietà controllabili a comando. Aprendo scenari futuristici ma sempre più concreti, come:
- Dispositivi optoelettronici ultraveloci, che trasformano segnali elettrici in luce e viceversa (fondamentali per la comunicazione quantistica);
- Memorie non volatili dove l’informazione è scritta in stati quantistici controllati dalla luce;
- Computer fotonici, che usano la luce invece dell’elettricità per calcolare.
Insomma, un piccolo esperimento per i fisici, un grande passo per il futuro della tecnologia.
E questo è solo l’inizio
L’esperimento è stato il primo condotto presso la nuova stazione Furka dello SwissFEL, ma le potenzialità sono enormi. Da allora, la stazione è già stata potenziata per ottenere misure ancora più precise. “Ora siamo pronti a esplorare anche altri tipi di eccitazioni quantistiche,” ha spiegato Elia Razzoli, a capo della stazione Furka.
