Quasicristalli: quando l’ordine e il caos si incontrano

Nel 1982, il Prof. Dan Shechtman del Technion – Israel Institute of Technology realizzò una scoperta che avrebbe cambiato per sempre la nostra comprensione dei cristalli e gli sarebbe valsa il Premio Nobel per la Chimica nel 2011: i quasicristalli.

La rivoluzionaria scoperta dei quasicristalli: un ponte tra ordine e caos

Shechtman, esaminando un materiale con la diffrazione elettronica, osservò un pattern di diffrazione che non corrispondeva a nessuna struttura cristallina conosciuta. Il materiale appariva disorganizzato su piccola scala, ma rivelava un ordine sorprendente e una simmetria precisa se osservato su scala più ampia. Questa struttura, apparentemente impossibile secondo le leggi della cristallografia classica, era un quasicristallo.

La sua scoperta fu accolta con scetticismo e incredulità dalla comunità scientifica. All’epoca, si pensava che i cristalli dovessero avere una struttura periodica, ovvero una disposizione regolare di atomi che si ripete all’infinito nello spazio tridimensionale. I quasicristalli, invece, mostravano un ordine non periodico, una sorta di “ordine nel caos”.

Dopo anni di dibattito, i fisici Dov Levine e Paul Steinhardt fornirono una spiegazione teorica per la struttura dei quasicristalli. La loro intuizione chiave fu che seguono una struttura periodica, ma in uno spazio di dimensioni superiori a tre. Questa idea rivoluzionaria permise di conciliare l’apparente disordine dei quasicristalli con le leggi della fisica.

Il concetto di dimensione spaziale superiore è difficile da visualizzare, poiché noi percepiamo il mondo che ci circonda come uno spazio tridimensionale. Tuttavia, è un concetto matematico potente che permette di descrivere fenomeni complessi. Un esempio di oggetto quadridimensionale è il tesseratto, un analogo quadridimensionale del cubo.

Un recente studio condotto da ricercatori del Technion, in collaborazione con università tedesche, ha gettato nuova luce sui quasicristalli. I ricercatori hanno dimostrato che non solo i cristalli di dimensione superiore determinano le proprietà meccaniche dei quasicristalli, ma ne influenzano anche le proprietà topologiche. La topologia è una branca della matematica che studia le proprietà geometriche che rimangono invariate sotto deformazioni continue. I ricercatori hanno scoperto che le loro proprietà topologiche sono legate alla loro struttura in dimensioni superiori. Questo risultato apre nuove prospettive per la loro comprensione e delle loro applicazioni.

La scoperta dei quasicristalli è stata una rivoluzione scientifica che ha ampliato la nostra comprensione dei cristalli e della materia. Con la loro struttura unica e le loro proprietà sorprendenti, sono un esempio di come la natura possa sorprendere con fenomeni inaspettati. La ricerca continua ad avanzare, aprendo nuove frontiere nella scienza dei materiali e in altri campi.

Un nuovo orizzonte per la scienza dei materiali

Un recente studio condotto da un team di ricercatori del Technion, in collaborazione con università tedesche, ha svelato un altro fenomeno interessante legato ai quasicristalli. I ricercatori hanno scoperto che due diversi modelli topologici di onde di superficie, apparentemente identici se misurati in un determinato istante, rivelano la loro diversità solo dopo un intervallo di tempo estremamente breve, misurato in attosecondi (un miliardesimo di miliardesimo di secondo).

Questo fenomeno, inizialmente sorprendente, trova una spiegazione nella teoria originale di Levine e Steinhardt, che li descrive come strutture periodiche in uno spazio di dimensioni superiori. Secondo questa teoria, le proprietà topologiche e termodinamiche (energetiche) dei cristalli entrano in una sorta di “competizione”, influenzando il comportamento dei materiali.

I risultati di questa ricerca sono stati ottenuti grazie all’utilizzo di due metodi di indagine all’avanguardia: la microscopia ottica a scansione in campo vicino, condotta nel laboratorio del Prof. Guy Bartal, e la microscopia elettronica a fotoemissione a due fotoni, misurata in collaborazione con università tedesche.

Le scoperte riportate in questo studio aprono la strada a nuovi metodi per misurare le proprietà termodinamiche dei cristalli quasiperiodici. I ricercatori hanno in programma di estendere le loro indagini ad altri sistemi fisici e di approfondire l’interazione tra proprietà termodinamiche e topologiche.

In futuro, le proprietà topologiche uniche dei quasicristalli, legate alla loro struttura in dimensioni superiori, potrebbero trovare applicazioni in diversi campi, come la rappresentazione, la codifica e il trasferimento di informazioni. Questi materiali potrebbero rivoluzionare il mondo dell’elettronica e dell’informatica, aprendo nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi più efficienti e innovativi.

Conclusioni

La ricerca sui quasicristalli è un campo in continua evoluzione, ricco di sorprese e di potenzialità. Le scoperte recenti, che legano le proprietà topologiche alla loro struttura in dimensioni superiori, offrono nuove prospettive per la comprensione di questi materiali e per le loro applicazioni future. I quasicristalli, con la loro struttura unica e le loro proprietà sorprendenti, sono un esempio di come la natura possa sorprendere con fenomeni inaspettati, aprendo nuove frontiere per la scienza e la tecnologia.

Lo studio è stato pubblicato su Science.