All-temperature superfluidity in two dimensions

Negli angoli silenziosi dell'universo dove la materia si comporta in modi strani e collettivi, esiste una regola che è rimasta ferma per decenni: l'ordine è un lusso del freddo. Nel mondo della fisica quantistica, dove le particelle possono comportarsi come onde e sincronizzare i loro movimenti, gli scienziati hanno a lungo creduto che se si riscaldasse un sistema abbastanza, il frenetico sobbalzare del calore avrebbe inevitabilmente frantumato qualsiasi delicata allineamento. Questo è particolarmente vero nei mondi piatti e bidimensionali, come un sottile film di liquido o uno strato singolo di atomi. Qui, un famoso principio dicta che le simmetrie continue — come la capacità di un fluido di scorrere senza attrito, uno stato noto come superfluidità — non possono sopravvivere a nessuna temperatura sopra lo zero assoluto. Il calore crea minuscoli difetti rotanti chiamati vortici. Man mano che la temperatura sale, questi vortici si moltiplicano e si liberano dai loro partner, lacerando il fluido e distruggendo la sua capacità di scorrere senza resistenza. Per molto tempo, questo sembra essere stato una legge infrangibile della natura per i sistemi piatti.

Tuttimento, un nuovo studio sfida questa certezza di lunga data, suggerendo che, in condizioni molto specifiche e rare, un superfluido bidimensionale potrebbe persistere anche a temperature roventi. I ricercatori, lavorando con un modello teorico di particelle interagenti, hanno scoperto un meccanismo in cui il calore stesso, che di solito distrugge l'ordine, invece aiuta a fissarlo in posizione. Sintonizzando le interazioni tra diversi tipi di particelle su un punto critico preciso, hanno scoperto che il sistema genera una rigidità così forte da sopprimere la formazione di vortici distruttivi a una probabilità esponenzialmente piccola, indipendentemente da quanto diventi caldo. Questa scoperta non si limita a ritoccare una teoria esistente; apre la porta a uno stato della materia in cui la superfluidità non è un fugace fenomeno del tempo freddo, ma una caratteristica permanente del paesaggio termico.

Il team, guidato da fisici di istituzioni in Germania, Belgio e Canada, si è posto l'obiettivo di esplorare una complessa teoria quantistica dei campi che coinvolge due tipi di particelle: un grande gruppo di particelle che agiscono insieme in modo simmetrico, e un singolo tipo di particella che trasporta una carica specifica. Si sono concentrati su uno scenario in cui questi due gruppi interagiscono in un modo molto particolare, una configurazione nota in fisica come punto fisso biconico. In termini più semplici, questo è un preciso equilibrio di forze in cui l'interazione tra i due gruppi è negativa, il che significa che si respingono o si contrastano in un modo che stabilizza il sistema. I ricercatori hanno utilizzato una potente tecnica matematica chiamata espansione del grande-N, che permette di studiare sistemi con un numero molto grande di tipi di particelle per vedere come l'intero sistema si comporta collettivamente.

I loro calcoli hanno rivelato un risultato sorprendente. In questo specifico punto fisso, l'energia termica del sistema non porta al caos. Invece, le fluttuazioni del grande gruppo di particelle creano un ambiente protettivo per le particelle cariche. Mentre la temperatura sale, la resistenza del sistema alla torsione o al taglio, nota come rigidità di fase, cresce linearamente con il calore. Questo è controintuitivo perché, di solito, il calore ammorbidisce i materiali. Qui, il calore rende effettivamente il fluido più "rigido" in un modo che protegge la sua natura superfluidica. I ricercatori hanno scoperto che questa rigidità diventa così grande che l'energia necessaria per creare un vortice — un piccolo mulinello che distruggerebbe il flusso — diventa proibitivamente alta.

Per capire perché questo sia importante, bisogna osservare il comportamento di questi vortici. In un normale superfluido bidimensionale, i vortici sono come piccoli buchi nel tessuto del flusso. A basse temperature, sono legati in coppie, come ballerini che si tengono per mano, e il fluido rimane fluido. Ma man mano che la temperatura aumenta, il calore fornisce energia sufficiente per rompere queste coppia, scatenando i vortici e distruggendo lo stato superfluidico. Nel nuovo modello, i ricercatori hanno dimostrato che, per un numero sufficientemente grande di tipi di particelle, il costo energetico per creare anche un singolo vortice è così immenso che la probabilità della loro apparizione diventa esponenzialmente piccola. I ricercatori sottolineano che questo risultato è manifestamente compatibile con il teorema che governa questi sistemi, poiché le fluttuazioni nel settore delle particelle sono pienamente tenute in conto. Di conseguenza, i vortici diventano perturbazioni "irrilevanti", il che significa che sono termodinamicamente sfavorevoli e incapaci di interrompere il flusso, piuttosto che essere strettamente impossibili da formare.

Lo studio conferma che, a questo punto critico, il sistema entra in una fase nota come fase di Berezinskii–Kosterlitz–Thouless, uno stato di "ordine quasi a lungo raggio" dove il fluido scorre senza attrito su vaste distanze. A differenza della versione abituale di questa fase, che esiste solo a basse temperature, questa nuova versione persiste indefinitamente al crescere della temperatura. I ricercatori hanno calcolato che la rigidità adimensionale del fluido cresce in proporzione diretta al numero di tipi di particelle coinvolti. Quando questo numero è abbastanza grande, la rigidità è tale che il sistema rimane nello stato ordinato e superfluidico indipendentemente da quanto diventi caldo. I vortici, che sono gli agenti abituali del disordine, diventano irrilevanti, incapaci di interrompere il flusso.

Questa conclusione si basa su un rigoroso analisi matematica del panorama energetico del sistema. I ricercatori hanno esaminato il "potenziale efficace", una mappa degli stati energetici disponibili per il sistema, e hanno scoperto che ad alte temperature, lo stato di energia più bassa corrisponde a una configurazione in cui le particelle cariche mantengono un'ampiezza non nulla, formando un cerchio continuo di stati stabili. Questo cerchio rappresenta l'ordine superfluidico. Hanno inoltre dimostrato che l'energia necessaria per creare un nucleo di vortice — il centro del mulinello — scala linearmente con il numero di tipi di particelle. Poiché questa barriera energetica è così alta, la "fugacità", ovvero la probabilità che i vortici appaiano, scende a un valore esponenzialmente piccolo.

Le scoperte suggeriscono che la distruzione dell'ordine da parte del calore non è una legge assoluta, ma una conseguenza di specifiche intensità di interazione. Sintonizzando finemente le interazioni verso un punto critico, la natura può essere indotta a uno stato in cui le fluttuazioni termiche rinforzano l'ordine anziché distruggerlo. Sebbene questo lavoro sia attualmente un'esplorazione teorica nel campo della teoria quantistica dei campi, fornisce un esempio concreto di come la superfluidità "a tutte le temperature" sia possibile in due dimensioni. Sfida la visione standard secondo cui l'entropia elevata vince sempre, mostrando invece che in un sistema attentamente bilanciato, il comportamento collettivo delle particelle può creare una fortezza contro il disordine termico. Lo studio conclude che, per un sistema sintonizzato su questo punto fisso biconico, lo stato superfluidico non è una cosa fragile del freddo, ma una caratteristica robusta che perdura attraverso l'intero spettro delle temperature.