Dai fiocchi di neve alla linea frastagliata di un fulmine, non è difficile trovare esempi di frattali nel mondo naturale. Quindi potrebbe sorprendere il fatto che, fino ad ora, siano rimasti alcuni posti in cui questi schemi geometrici ripetuti all’infinito non sono mai stati visti.

I fisici del MIT hanno ora fornito il primo esempio noto di una disposizione frattale in un materiale quantico.

I modelli sono stati visti in una distribuzione inaspettata di unità magnetiche chiamate “domini“, che si sviluppano in un composto chiamato ossido di nichel al neodimio, un metallo di terre rare con proprietà straordinarie.

Una migliore comprensione di questi domini e dei loro schemi potrebbe potenzialmente portare a nuovi modi di archiviare e proteggere le informazioni digitali.

Schemi frattali presenti in natura nel broccolo Romanesco ( Brassica oleracea ). (Photopips / iStock)

L’ossido di neodimio e nichel, o NdNiO3, è roba strana.

Se gli dai corrente si comporta abbastanza normalmente. Rilascialo nell’azoto liquido in modo che cada al di sotto di una temperatura critica di circa meno 123 gradi Celsius diventa improvvisamente un isolante.

Questa non è l’unica cosa che cambia. Come spiega il fisico Riccardo Comin , “Il materiale non è magnetico a tutte le temperature“.

Certo, anche un comune pezzo di ferro magnetizzato perderà il suo talento nel puntare a nord se lo scaldi abbastanza, quindi non è poi così strano. Ma l’ossido di neodimio e nichel non gioca secondo le solite regole, quindi il modo preciso in cui i suoi elettroni cadono nelle disposizioni magnetiche è stato a lungo un mistero.

Quello che sappiamo è come la maggior parte dei materiali ferromagnetici, gli atomi nell’ossido di nichel al neodimio si uniscono in piccoli gruppi di particelle orientate magneticamente chiamate domini.

I domini sono disponibili in una varietà di dimensioni e disposizioni, a seconda delle interazioni quantistiche tra gli elettroni e i loro atomi in determinate condizioni. La grande domanda era come emergono nell’ossido di nichel al neodimio, data la sua natura di conduttore che diventa un isolante.

“Volevamo vedere come si espandono e crescono questi domini una volta raggiunta la fase magnetica dopo aver raffreddato il materiale“, afferma Comin.

In passato i ricercatori hanno esaminato il materiale ai raggi X per studiare le sue strane proprietà elettromagnetiche e nella speranza di scoprire i suoi segreti elettrici.

Queste analisi, però, hanno mostrato come si distribuiscono a temperature diverse gli elettroni di questo materiale, ma per mappare la dimensione e la distribuzione dei suoi domini in tali condizioni è stato necessario un approccio più mirato.

“Quindi abbiamo adottato una soluzione speciale che consente di mappare, punto per punto, la disposizione dei domini magnetici in questo materiale“, afferma Comin.

Quella soluzione speciale era tanto antica quanto nuova: in pratica i ricercatori hanno utilizzato la stessa tecnologia che si usava nei fari vecchio stile per incanalare la luce in un fascio ristretto.

Le lenti di Fresnel sono strati sovrapposte con un materiale trasparente con creste capaci di reindirizzare le radiazioni elettromagnetiche. Le lenti nei fari, però, possono essere larghe metri, quelle che Comin e il suo team hanno sviluppato erano larghe solo 150 micron.

Il risultato finale è stato un fascio di raggi X abbastanza piccolo da rilevare la piccola scala dei domini magnetici attraverso un sottile film di ossido di nichel al neodimio cresciuto in laboratorio.

La maggior parte di quei domini erano minuscoli. Sparsi tra loro ce n’erano alcuni più grandi. Ma una volta che è stata tracciata una mappa, la distribuzione dei domini più grandi tra un mare di domini minuscoli sembrava stranamente simile, indipendentemente dalla scala in uso.

“All’inizio è stato difficile decifrare il modello di dominio, ma dopo aver analizzato le statistiche sulla distribuzione del dominio, ci siamo resi conto che aveva un comportamento frattale“, spiega Comin.

“È stato del tutto inaspettato“.

I materiali che possono agire sia come conduttore che come isolante svolgono già un ruolo importante nel mondo dell’elettronica. I transistor si basano proprio su questo principio.

Ma l’ossido di neodimio e nichel ha un altro asso nella manica. Lo stesso schema frattale dei domini riappare quando la temperatura scende di nuovo, quasi come se avesse un qualche tipo di memoria su dove ridisegnare i suoi confini.

“Simile ai dischi magnetici nei dischi rigidi che ruotano, si può immaginare di memorizzare bit di informazioni in questi domini magnetici“, conclude Comin.

Dai dispositivi di archiviazione di memoria resilienti fino ai neuroni artificiali, l’ossido di nichel al neodimio farà sicuramente parte del quadro generale dell’elettronica futura. 

Questa ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.

Esopianeti. Sono molto piccoli e molto lontani. Di solito, per rilevarli dobbiamo usare mezzi indiretti. Le immagini dirette sono rare e non molto dettagliate. Anche capire cosa c’è nella loro atmosfera è difficile. Quindi si potrebbe pensare che provare ad analizzare la loro composizione interna sia qualcosa al di fuori della nostra portata.

Ma sarebbe uno sbaglio. Un team di astronomi dell’Università della California di Los Angeles ha trovato un modo ed è assolutamente geniale. Hanno analizzato le firme chimiche di corpi rocciosi come pianeti e asteroidi negli spettri di stelle bianche nane in cui i corpi rocciosi si erano precedentemente schiantati.

Non solo questa è una nuova straordinaria tecnica, ma suggerisce anche che l’interno degli esopianeti è geochimicamente simile a quello terrestre.

Come hanno fatto a capire come sono fatti gli esopianeti?

Immaginiamo che Mercurio, Venere e Terra si schiantino contro il Sole. Gli elementi di cui sono composti questi pianeti verrebbero assorbiti dal Sole e ne cambierebbero lo spettro della luce che emette, e un astronomo particolarmente astuto ci ha pensato.

“Osservando queste nane bianche e gli elementi presenti nella loro atmosfera, osserviamo gli elementi che si trovano nel corpo che orbitava attorno alla nana bianca“, ha spiegato l’astrochimica Alexandra Doyle dell’UCLA .

“Osservare una nana bianca è come fare un’autopsia sul contenuto di ciò che ha inghiottito nel suo sistema solare“.

Le nane bianche sono i nuclei ultradensi di stelle morte grandi meno di 10 masse solari (più grandi di così, si trasformerebbero in stelle di neutroni; ancora più grandi e si trasformerebbero in buchi neri).

Quando la stella esaurisce l’idrogeno da bruciare, si gonfia diventando una gigante rossa, fondendo elio e carbonio fino a quando anche quegli elementi si esauriscono. Quindi gli strati esterni della stella vengono spazzati via e il nucleo ultra-intenso e brillante che rimane – il cadavere della stella morta, che non fonde più nulla – è la nana bianca.

Doyle e il suo team hanno esaminato lo spettro elettromagnetico prodotto da sei stelle nane bianche tra 200 e 665 anni luce di distanza. Diversi elementi emettono e assorbono specifiche lunghezze d’onda, quindi quando si guarda lo spettro di una stella, è possibile utilizzare queste linee di emissione e assorbimento per determinarne la composizione.

Poiché sono così dense, l’atmosfera di una nana bianca dovrebbe mostrare solo gli elementi più leggeri, con gli elementi più pesanti disegnati all’interno della stella, dove sono inosservabili. Ma questo non è ciò che la squadra ha trovato.

“Se dovessi solo guardare una stella nana bianca, mi aspetterei di vedere idrogeno ed elio“, ha detto Doyle.

“Ma in questi dati, vedo anche altri materiali, come silicio, magnesio, carbonio e ossigeno – materiale che si è accumulato nelle nane bianche da corpi che li stavano orbitando“.

E questo ci ha rivelato qualcosa di veramente interessante – che i pianeti e gli asteroidi rocciosi e altre cose cadute nelle stelle erano costituiti da sostanze simili alla Terra.

L’indizio sta nell’ossidazione del ferro – il processo con cui gli elettroni del ferro vengono condivisi con l’ossigeno, con conseguente legame chimico tra loro e produzione di ossido di ferro, noto anche come ruggine.

Nel nostro Sistema Solare, corpi rocciosi come Marte, Terra e un intero gruppo di asteroidi hanno un alto livello di questa ossidazione del ferro.

È per questo che Marte è rosso. Ed è anche il motivo per cui la Terra è così com’è.

“Tutta la chimica che accade sulla superficie della Terra può in definitiva essere ricondotta allo stato di ossidazione del pianeta“, ha detto il cosmochimico Edward Young dell’UCLA. “Il fatto che abbiamo oceani e tutti gli ingredienti necessari per la vita può essere ricondotto all’ossidazione del pianeta. Le rocce controllano la chimica“.

Quindi, un esopianeta simile alla Terra, probabilmente avrebbe bisogno di una geochimica simile. E se gli esopianeti abbiano o meno questa geochimica è stato finora un enorme mistero. È qui che entra in gioco l’analisi del team sugli spettri delle stelle.

“Abbiamo misurato la quantità di ferro che si è ossidata nei corpi rocciosi caduti nelle nane bianche“, ha detto Young.

Ed erano molto simili alla Terra e a Marte.

Quindi, pianeti rocciosi che potrebbero avere atmosfere simili alla Terra, tettonica a zolle, campi magnetici – potrebbero non essere incredibilmente rari. Solo un po’ più difficili da individuare rispetto ai giganti gassosi che di solito troviamo.

“Stiamo facendo vera geochimica sulle rocce al di fuori del nostro sistema solare. La maggior parte degli astrofisici non penserebbe di farlo, e la maggior parte dei geochimici non penserebbe mai di applicarla a una nana bianca“, ha detto Young.

“Abbiamo appena accertato che molti pianeti rocciosi sono come la Terra e le probabilità che ci sia un numero molto grande di pianeti rocciosi nell’universo“.

La ricerca è stata pubblicata su Science.

Nella nostra galassia c’è una stella, una nana bianca, che per anni ha emesso una quantità consistente di luce a infrarossi medi (MIR). Poi, nel 2018, queste emissioni sono cambiate. In sei mesi, la luce della nana bianca da quel punto nello spazio è diventata circa il 10% più intensa nello spettro MIR – e quel punto sta diventando sempre più luminoso.

I ricercatori pensano che ciò sia dovuto a una nuvola di polvere metallica appena formata probabilmente a causa della recente distruzione di un asteroide vicino alla nana bianca.

Il fatto può sembrare controintuitivo, una nuvola di polvere è capace di rendere più luminosa una stella. Ma Tinggui Wang, un astronomo dell’Università della Scienza e della Tecnologia cinese e autore principale di un documento che descrive l’evento, ha detto che l’illuminazione ha senso se si pensa a come interagiscono la stella e la nuvola di detriti metalllici.

“Quando i detriti sono sulla nostra linea di visuale, la stella si oscura, tuttavia, i [singoli pezzi di] detriti coprono solo una piccola parte del cielo, quindi la possibilità di trovarsi sulla linea di visuale è piccola“.

Sebbene i singoli frammenti di detriti siano piccoli e ciascuno copra solo una piccola porzione di cielo, l’intera nuvola è estesa, molto più della stella. In condizioni normali, solo i fotoni che volano fuori dalla stella direttamente verso la Terra raggiungono i nostri telescopi. A quel punto la nuvola di detriti agisce sui fotoni. I raggi di luce colpiscono la nuvola di detriti, riscaldandola e facendo emettere luce MIR ai frammenti dell’asteroide. Quindi, anche quella luce raggiunge la Terra. Il risultato è una più grande regione luminosa del cielo che i nostri telescopi registrano come un picco di luce, ha spiegato Wang.

“Gli astronomi hanno già visto nuvole di detriti simili nello spazio”, Spiega Malena Rice, esperta di astronomia dei dischi di detriti attorno a stelle lontane nel Dipartimento di Astronomia dell’Università di Yale. “E hanno visto prove di oggetti non sferici, probabilmente asteroidi, in orbita attorno ad oggetti al di fuori del nostro sistema solare – forse un’altra nana bianca. Ma questa potrebbe essere la prima volta che gli astronomi hanno individuato un asteroide che si disintegra in una nuvola di detriti attorno a una stella“.

“Questo processo è stato teorizzato per oltre un decennio“, ha dichiarato la Rice, che non era coinvolta nella ricerca. “Ma non abbiamo mai avuto la possibilità di studiare l’intero processo di interazione fino ad ora“.

Cosa avrebbe potuto frantumare l’asteroide?

Wang e i suoi colleghi hanno concluso che, probabilmente, il responsabile è un effetto di marea gravitazionale.

“Una nana bianca è una stella molto compatta“, spiega Wang. “In quanto tale, vicino alla stella, il gradiente del campo gravitazionale può essere molto grande“, il che significa che la gravità può cambiare bruscamente da un punto all’altro.

Immaginate di galleggiare nello spazio, in orbita attorno a una stella molto compatta con i piedi rivolti verso di essa. La gravità esercitata sui vostri piedi sarà maggiore della gravità esercitata sulle vostre spalle. Sulla Terra  sperimentiamo lo stesso effetto, anche se la differenza – il gradiente – è così minimo che non notiamo la differenza.

Nei potenti campi gravitazionali vicino alle nane bianche i gradienti possono diventare così intensi da sopraffare le forze che tengono coeso un oggetto. I grandi asteroidi sono tenuti insieme dalla loro stessa gravità, ma quella gravità non è così forte come i gradienti che si riscontrano nei pressi delle nane bianche. Quando gli asteroidi passano attraverso quelle regioni, secondo gli astronomi, potrebbero fratturarsi, riempiendo lo spazio di una nuvola di detriti.

Per lo stesso motivo alcuni pianeti sono circondati da anelli di polvere e non solo da lune, e le forze di marea dei grandi pianeti possono impedire alla materia presente nei loro anelli di aggregarsi in satelliti sferici.

“Gli astronomi sono certi che i detriti attorno alla nana bianca non provengono da una cometa“, ha aggiunto Wang, “perché le comete si muovono così velocemente che i detriti lascerebbero rapidamente la zona calda intorno alla stella raffreddandosi. È possibile che un pianeta roccioso sia esploso, ma i ricercatori ritengono che un oggetto più piccolo, delle dimensioni di un asteroide sia più probabile”. (La distinzione precisa tra un grande asteroide e un piccolo pianeta può essere un po’ vaga. Ma quando si tratta di altri sistemi stellari gli astronomi di solito usano “exoasteroid” per riferirsi a oggetti di metallo e roccia più piccoli e frastagliati e “exoplanet” per riferirsi a oggetti abbastanza grandi da essere stati plasmati in sferoidi dalal loro gravità).

In questo momento, la nuvola di detriti sta ancora orbitando attorno alla stella, che si chiama WD 0145 + 234. Col passare del tempo, tuttavia, è probabile che quella nuvola cada sulla superficie della nana bianca, ha detto Wang. Quei detriti in aumento, fatti di metallo e forse del gas caldo, potrebbero spiegare quante nane bianche finiscono con la firma di un significativo inquinamento da metallo nella loro luce stellare.

La ricerca non è ancora stata sottoposta a peer review ed è stata pubblicata online il 10 ottobre sulla rivista di prestampa arXiv .

Fonte: Live Science