Un fluido di luce che si comporta da solido: creato un supersolido fotonico in laboratorio

Questa volta ci siamo, stimo assistendo a qualcosa di incredibile. E’ stato creato un supersolido davvero sensazionale!

Ok, preparati, perché oggi parliamo di una roba che sembra uscita da un romanzo di fantascienza, ma è scienza vera: i supersolidi. Già il nome suona strano, no? Solido ma anche… super? In pratica è una fase della materia che, a prima vista, sembra una contraddizione ambulante: le particelle sono disposte come in un cristallo, ordinatissime, ma allo stesso tempo possono scorrere una sull’altra senza attrito. Sì, hai letto bene. Tipo un solido che si comporta anche da liquido. Una cosa che sfida un po’ il nostro modo di pensare la materia.

L’idea esiste da più di 50 anni, e negli ultimi tempi abbiamo finalmente cominciato a vederla davvero in laboratorio. Finora la scena era dominata dai condensati di Bose–Einstein (i famosi BEC), raffreddati quasi allo zero assoluto, e spesso infilati dentro cavità super tecnologiche o “truccati” con strani accoppiamenti tra atomi e campi elettromagnetici. Un mix tra fisica estrema e un pizzico di magia.

Eppure, la novità ora è un’altra. Un gruppo di ricercatori (con dentro anche italiani!) ha dimostrato una nuova versione del supersolido, ma in un sistema del tutto diverso: niente atomi ultrafreddi, stavolta tocca ai polaritoni, queste strane “quasi-particelle” nate dalla fusione tra luce e materia. E il tutto è stato fatto in una guida d’onda fotonica, dentro un cristallo progettato per avere delle proprietà davvero speciali.

Il risultato? Hanno osservato una modulazione nella densità che indica chiaramente la rottura della simmetria traslazionale (cioè, il sistema si è “cristallizzato” da solo) e sono riusciti pure a misurare la coerenza quantistica della cosa. Insomma, un supersolido vero e proprio, ma creato in un contesto fuori equilibrio. E questo apre un sacco di porte, perché il sistema è molto più flessibile di quelli usati finora.

Un supersolido… illuminato

Quindi, che cosa hanno fatto di preciso questi ricercatori? Hanno creato un sistema di polaritoni condensati in una guida d’onda molto particolare, chiamata “cristallo fotonico”. In questo ambiente, i polaritoni riescono a condensarsi in uno stato topologico chiamato bound state in the continuum (BiC), che ha una perdita di energia ridicolmente bassa. Cioè, è un posto perfetto per farli vivere e interagire abbastanza a lungo da creare effetti macroscopici – tipo appunto il supersolido. E qui viene la parte bella: questi polaritoni riescono a rompere spontaneamente la simmetria dello spazio in cui vivono, formando una specie di pattern, una griglia naturale, nella densità. Questo pattern è ciò che rende il sistema simile a un cristallo. Ma siccome mantengono anche una coerenza di fase su larga scala, ecco che arriva il secondo ingrediente: il comportamento da fluido senza attrito. Voilà, supersolido servito.

Non si tratta solo di copiare quello che fanno i condensati atomici. Qui parliamo di un meccanismo diverso, basato su un processo chiamato OPO (oscillazione parametrica ottica) che rompe la simmetria traslazionale in modo spontaneo. Cioè, non è qualcosa che viene imposto da fuori, ma accade da sé. E questo cambia un bel po’ il gioco. Una volta che l’OPO si attiva (serve una potenza sopra una certa soglia), il sistema entra in una nuova fase. In teoria ci sarebbero due soglie distinte: una per il condensato, l’altra per la formazione del supersolido vero e proprio. Interessante, no? E grazie alla flessibilità di questi materiali fotonici, si può anche controllare il tutto con una precisione incredibile. 

Una nuova piattaforma per esplorare la materia

Quello che rende davvero potente questo sistema è che, a differenza dei gas atomici ultrafreddi, qui siamo in un contesto fuori equilibrio, che è molto più simile al mondo reale. Eppure, si riescono a osservare fenomeni super raffinati, come la rottura di simmetria, la formazione di fasi complesse e persino la nascita di stati quantistici collettivi. In più, grazie alla struttura del cristallo fotonico, si possono “cucire” le proprietà del sistema quasi come si vuole. Fantascienza? No, solo fisica moderna. Una cosa affascinante è che questa configurazione permette di annullare l’accoppiamento lineare tra le diverse modalità.

In pratica, si può arrivare ad avere una libertà di fase totale nella modulazione di densità. Tradotto: ogni esperimento può mostrare un pattern diverso, come una firma unica. E studiando la funzione di correlazione g(2), si possono persino mappare le fluttuazioni spaziali del sistema. Cioè, possiamo vedere dove e quanto i polaritoni “si parlano”.