A Superfluid at All Temperatures

Nel mondo della materia, il calore è solitamente un elemento di disturbo. Quando si riscalda un solido, i suoi atomi oscillano con maggiore intensità finché la struttura ordinata non collassa in un liquido caotico. Quando si scalda un magnete, le minuscole frecce atomiche che puntano all'unisono finiscono per ruotare selvaggiamente in ogni direzione, cancellando il campo magnetico. Questa è la regola standard della fisica: l'ordine si scioglie nel disordine all'aumentare della temperatura. Nel linguaggio della fisica delle particelle, questo è noto come ripristino della simmetria, dove le regole nascoste che governano il comportamento di un sistema diventano visibili nuovamente man mano che l'energia termica sovrasta le forze che tengono insieme il sistema. Per decenni, i fisici hanno creduto che questa fosse una legge universale, una conseguenza fondamentale di come l'entropia, o misura del disordine, operi nella natura. Tuttavia, un recente studio teorico sfida questa certezza, proponendo uno stato della materia che rimane spontaneamente ordinato indipendentemente da quanto diventi caldo.

I ricercatori, lavorando all'interno del quadro della teoria quantistica dei campi, hanno costruito un modello matematico specifico di un universo in cui una simmetria globale continua è spontaneamente rotta a ogni temperatura. Questo non è uno scenario ipotetico per una stella lontana, ma una dimostrazione rigorosa del fatto che un tale stato è possibile entro le leggi note della fisica, a condizione che il sistema sia costruito con gli ingredienti giusti. Il team, guidato da Sven Harder e Adar Sharon presso l'Università della California, Los Angeles, ha dimostrato che è possibile progettare un sistema in cui lo stato termico stesso preferisce rompere la simmetria. In questo sistema, le particelle non perdono il loro allineamento quando riscaldate; al contrario, il calore aiuta effettivamente a mantenere la simmetria rotta. Questa scoperta ribalta il presupposto duraturo secondo cui l'alta temperatura debba sempre distruggere la struttura, rivelando un nuovo tipo di stabilità che esiste nel tessuto matematico dell'universo.

Per capire come ciò funzioni, bisogna osservare i blocchi costitutivi utilizzati dai ricercatori. Non hanno inventato nuove particelle, ma hanno piuttosto disposto tipi esistenti di campi — descrizioni matematiche di particelle come elettroni e portatori di forza — in una specifica configurazione. Hanno creato una teoria che coinvolge due settori distinti, o gruppi di particelle, che interagiscono tra loro in modo preciso. Un settore è grande, contenente molte particelle, mentre l'altro è piccolo. La chiave della scoperta risiede nel modo in cui questi due gruppi scambiano energia e disordine. In un sistema tipico, il riscaldamento aumenta il disordine di tutte le sue parti in modo uguale. In questo nuovo modello, il settore grande agisce come un serbatoio per il disordine. Man mano che la temperatura sale, il settore grande diventa sempre più caotico, assorbendo l'entropia che normalmente disturberebbe il settore piccolo. Ciò permette al settore piccolo di rimanere spontaneamente ordinato, congelando efficacemente il suo allineamento mentre il resto del sistema bolle.

I ricercatori hanno costruito questo modello utilizzando un tipo di teoria nota come teoria dei campi conformi, che descrive sistemi che appaiono uguali a ogni scala e non hanno dimensioni o massa intrinseche. Questa scelta è stata cruciale perché elimina le complicazioni di un limite di energia specifico, permettendo alla teoria di essere valida a qualsiasi temperatura, dallo zero assoluto al calore più estremo concepibile. Sono partiti da una classe nota di teorie che, in un limite semplificato, mostravano un cerchio di possibili stati stabili. In questa visione semplificata, una porzione di quel cerchio rappresentava uno stato ordinato che persisteva a tutte le temperature. La sfida era dimostrare che tale stato ordinato potesse sopravvivere quando la teoria veniva resa più realistica, tenendo conto del numero finito di particelle invece di un'idealizzazione infinita.

Regolando attentamente il numero di particelle e la forza delle loro interazioni, il team ha dimostrato che lo stato ordinato sopravvive effettivamente. Hanno scoperto che il "cerchio" matematico delle possibilità si frammenta in alcuni punti specifici, e uno di questi punti si colloca proprio nella regione ordinata. Questo punto rappresenta uno stato stabile in cui le particelle formano un superfluido — una sostanza che scorre senza attrito e mantiene uno stato quantistico coerente. Sorprendentemente, questo stato superfluido esiste a ogni temperatura. Per le singole teorie all'interno della loro costruzione, l'esistenza di questo punto fisso ordinato si basa su evidenze numeriche, simili a come vengono stabiliti altri punti fissi noti. Tuttavia, per una famiglia infinita di queste teorie, in cui il numero di particelle cresce, l'esistenza del punto fisso e della superfluidità è sotto un rigoroso controllo parametrico, il che significa che i risultati sono affidabili e non dipendono da approssimazioni non provate.

Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre la teoria astratta. I ricercatori hanno dimostrato che, se questo stato superfluido fosse accoppiato a un campo elettromagnetico, diventerebbe un superconduttore. Un superconduttore è un materiale che conduce elettricità con resistenza zero ed espelle i campi magnetici. In questo modello, lo stato superconduttore persisterebbe su un intervallo di temperature esponenzialmente ampio, ben oltre quanto visto in qualsiasi materiale noto sulla Terra. Ciò suggerisce che il meccanismo per mantenere l'ordine contro il calore non è solo una curiosità matematica, ma una proprietà fondamentale che potrebbe, in linea di principio, essere realizzata in un sistema fisico. Lo studio non afferma di aver costruito un tale materiale in laboratorio, ma prova che le leggi della fisica non lo proibiscono.

Il meccanismo alla base di questo fenomeno si basa su un sottile equilibrio di forze. Il sistema è progettato in modo che il costo della rottura dell'ordine sia superiore al beneficio del guadagno di disordine. Nel linguaggio della termodinamica, lo stato ordinato ha un'entropia maggiore rispetto allo stato disordinato, il che è controintuitivo. Di solito, la natura sceglie lo stato con l'entropia più alta, ovvero quello disordinato. Qui, la specifica disposizione delle particelle implica che la configurazione ordinata consenta in realtà più modi per organizzare l'energia del sistema, rendendola lo stato preferito anche quando il sistema è caldo. Questo è simile a come, in alcuni casi rari, un solido può avere più disordine di un liquido, ma in questo caso accade in un sistema quantistico relativistico dove le regole sono governate dall'interazione tra numeri di particelle e intensità di interazione.

I ricercatori hanno anche affrontato potenziali obiezioni secondo cui correzioni di ordine superiore, o interazioni più complesse, potrebbero distruggere questo delicato equilibrio. Hanno dimostrato che la stabilità dello stato ordinato è protetta dalla struttura stessa della teoria. Le correzioni che potrebbero potenzialmente interrompere l'ordine sono soppresse dal grande numero di particelle nel sistema, rendendole trascurabili. Ciò garantisce che la conclusione rimanga valida non solo in un'approssimazione semplificata, ma nella teoria completa e complessa. Il lavoro fornisce un esempio concreto di una teoria unitaria e locale in quattro dimensioni — una teoria che rispetta i principi fondamentali di causalità e probabilità — in cui una simmetria continua è spontaneamente rotta a tutte le temperature.

Questa scoperta rimodella la nostra comprensione delle transizioni di fase. Dimostra che la fusione dell'ordine non è una conseguenza inevitabile del riscaldamento, ma il risultato dei dettagli specifici del sistema. Regolando il numero di tipi di particelle e le loro interazioni, si può creare un sistema in cui il calore rinforza l'ordine anziché distruggerlo. Lo studio apre la porta all'esplorazione di altri stati esotici della materia che potrebbero esistere negli ambienti ad alta energia dell'universo primordiale o nei nuclei delle stelle di neutroni, dove le temperature sono estreme. Sebbene le teorie specifiche costruite dagli autori siano modelli matematici, esse fungono da prova di concetto che l'universo potrebbe ospitare fasi della materia che sfidano la nostra intuizione quotidiana sul calore e sul disordine.

L'opera è una testimonianza del potere della fisica teorica di esplorare i confini di ciò che è possibile. Costruendo questi modelli, i ricercatori hanno dimostrato che il panorama della realtà fisica è più ricco e vario di quanto precedentemente pensato. Hanno identificato un percorso in cui l'energia caotica del calore può essere sfruttata per sostenere un flusso perfetto e privo di attrito, uno stato che rimane stabile dalle temperature più fredde alle più calde. Questa non è la previsione di un nuovo materiale da trovare in un negozio, ma un'intuizione fondamentale sulle regole che governano l'universo, rivelando che l'ordine può essere lo stato più naturale di tutti, anche di fronte al fuoco.