I ricercatori dell’Università del Maryland, del National Institute of Standards and Technology (NIST), del National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) e dell’Università di Oxford hanno osservato un raro fenomeno chiamato superconduttività rientrante nel ditelluride di uranio. La scoperta promuove la ditelluride di uranio come materiale promettente per l’uso nei computer quantistici.

Soprannominato “superconduttività di Lazzaro” dal personaggio biblico risorto dalla morte, il fenomeno si verifica quando sorge uno stato superconduttore si rompe, riemergendo poi in un materiale a causa di una modifica di un parametro specifico, in questo caso l’applicazione di un campo magnetico molto forte. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Physics.

Respinta in passato dai fisici per la sua apparente mancanza di interessanti proprietà fisiche, la ditelluride di uranio sta vivendo il suo momento Lazzaro. L’attuale studio è il secondo in altrettanti mesi (entrambi pubblicati da membri dello stesso gruppo di ricerca) che dimostrano stati di superconduttività insoliti e sorprendenti in questo materiale.

“Questo è un superconduttore scoperto di recente con una serie di altri comportamenti non convenzionali, quindi è già strano“, ha detto Nicholas Butch, assistente professore associato di fisica all’UMD e fisico presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni. “[La superconduttività di Lazzaro] ha quasi sicuramente qualcosa a che fare con la novità del materiale. C’è qualcosa di diverso in corso lì dentro“.

La ricerca precedente, pubblicata sulla rivista Science, descriveva il raro ed esotico stato fondamentale noto come superconduttività di spin-triplet nella ditelluride dell’uranio. La scoperta ha fatto pensare ai ricercatori che la ditelluride di uranio meritasse una seconda occhiata a causa delle sue insolite proprietà fisiche e del suo elevato potenziale di utilizzo nei computer quantistici.

“Questo è davvero un materiale straordinario e ci tiene molto impegnati“, ha dichiarato Johnpierre Paglione, professore di fisica all’UMD, direttore del Centro per la nanofisica e i materiali avanzati (CNAM; presto verrà ribattezzato Quantum Materials Center) e uno dei coautori del documento. “La ditelluride di uranio potrebbe benissimo diventare il superconduttore di spin-triplet da manuale che cerchiamo da decine di anni e probabilmente ha in serbo altre sorprese. Potrebbe essere il prossimo stronzio ruthenate, un altro superconduttore di spin-triplet proposto che è stato studiato per più di 25 anni“.

La superconduttività è uno stato in cui gli elettroni viaggiano attraverso un materiale con efficienza perfetta. Il rame – che è secondo solo all’argento in termini di capacità di condurre elettroni – perde circa il 20% di potenza sulle linee di trasmissione a lunga distanza, mentre gli elettroni si urtano all’interno del materiale durante il viaggio.

La superconduttività di Lazzaro è particolarmente strana, perché i forti campi magnetici di solito distruggono lo stato superconduttore nella stragrande maggioranza dei materiali. Nella ditelluride dell’uranio, tuttavia, un forte campo magnetico accoppiato a specifiche condizioni sperimentali ha provocato la superconduttività di Lazzaro non solo una volta, ma due volte.

Per Butch, Paglione e il loro team, la scoperta di questa rara forma di superconduttività nella ditelluride di uranio è stata fortuita; l’autore principale dello studio, il ricercatore associato del CNAM Sheng Ran, ha sintetizzato accidentalmente il cristallo mentre tentava di produrre un altro composto a base di uranio. Il team ha deciso di provare comunque alcuni esperimenti, anche se le precedenti ricerche sul composto non avevano prodotto nulla di insolito.

La curiosità della squadra è stata premiata più volte. Nel precedente articolo su Science, i ricercatori hanno riferito che la superconduttività della ditelluride di uranio comporta insolite configurazioni di elettroni chiamate triplette di spin, in cui le coppie di elettroni sono allineate nella stessa direzione. Nella stragrande maggioranza dei superconduttori, gli orientamenti – chiamati spin – degli elettroni accoppiati puntano in direzioni opposte. Queste coppie sono (in qualche modo controintuitivamente) chiamate singoletti. I campi magnetici possono interrompere facilmente gli accoppiamenti, uccidendo la superconduttività.

I superconduttori a triplo spin, tuttavia, possono resistere a campi magnetici molto più elevati. I primi risultati del team li hanno portati a NHMFL, dove una combinazione unica di magneti ad altissimo campo, strumentazione capace e competenza dei residenti ha permesso ai ricercatori di spingere ulteriormente la ditelluride dell’uranio.

In laboratorio, il team ha testato la ditelluride di uranio in alcuni dei più alti campi magnetici disponibili. Esponendo il materiale a campi magnetici fino a 65 tesla – oltre 30 volte la forza di un tipico magnete per risonanza magnetica – il team ha tentato di trovare il limite superiore al quale i campi magnetici bloccavano la superconduttività del materiale. Butch e il suo team hanno anche sperimentato l’orientamento del cristallo di ditelluride di uranio a diversi angoli in relazione alla direzione del campo magnetico.

A circa 16 tesla, lo stato superconduttore del materiale è cambiato bruscamente. Mentre è morto nella maggior parte degli esperimenti, ha persistito quando il cristallo è stato allineato con un angolo molto specifico in relazione al campo magnetico. Questo comportamento insolito è continuato fino a circa 35 tesla, a quel punto tutta la superconduttività è svanita e gli elettroni cambiato il loro allineamento, entrando in una nuova fase magnetica.

Mentre i ricercatori aumentavano il campo magnetico e continuavano a sperimentare gli angoli, hanno scoperto che un diverso orientamento del cristallo produceva una nuova fase superconduttiva che è persistita fino ad almeno 65 tesla, la massima intensità di campo testata dal team. È stata una prestazione da record per un superconduttore e ha segnato la prima volta che sono state trovate due fasi di superconduttori indotte sul campo nello stesso composto.

Butch ha affermato che le prove indicano un fenomeno fondamentalmente diverso da qualsiasi cosa gli scienziati abbiano visto fino ad oggi.

“Sto per uscire con un articolo in cui spiego che questo è probabilmente diverso – quantomicamente meccanicamente diverso – dagli altri superconduttori che conosciamo“, ha detto Butch. “Penso che ci vorrà del tempo per capire cosa sta succedendo“.

Oltre alla sua fisica che sfida le convenzioni, la ditelluride di uranio mostra tutti i segni di essere un superconduttore topologico, come lo sono altri superconduttori a tripla spin, ha aggiunto Butch. Le sue proprietà topologiche suggeriscono che potrebbe essere un componente particolarmente preciso e robusto nei computer quantistici del futuro.

“La scoperta della superconduttività di Lazzaro in campi magnetici da record è una delle scoperte più importanti che emergono da questo laboratorio nei suoi 25 anni di storia“, ha dichiarato il direttore della NHMFL Greg Boebinger. “Non sarei sorpreso se svelare i misteri della ditelluride dell’uranio porti a manifestazioni ancora più strane di superconduttività in futuro“.

Fonte: Phys.org

Il centro della nostra galassia, la Via Lattea, rispetto ai centri delle altre galassie che conosciamo, è un luogo relativamente calmo, ma ora abbiamo scoperto che non è sempre stato così. In effetti, solo 3,5 milioni di anni fa qualcosa produsse un colossale scoppio di energia, espellendo getti di gas della lunghezza di oltre 200.000 anni luce sopra e sotto il piano galattico.

Le onde d’urto di questa colossale esplosione, chiamata bagliore di Seyfert, possono essere osservate oggi nel Flusso di Magellano, una corrente di gas ad alta velocità che si estende dalle Grandi e Piccole Nuvole di Magellano, fino a 200.000 anni luce dalla Via Lattea.

Si tratta di qualcopsa di così potente che gli astronomi ritengono che potrebbe provenire solo da Sagittarius A *, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. Poiché le prime osservazioni del  di Seyfert sono state pubblicate nel 2013 , hanno chiamato l’evento BH2013.

(James Josephides / ASTRO 3D)

Nel 2013 l’astrofisico Joss Bland-Hawthorn dell’Università di Sydney e l’International Center for Radio Astronomy Research (ICRAR) stimarono che l’evento deve essersi verificato tra 1 e 3 milioni di anni fa.

Ora, altre osservazioni fatte usando il telescopio spaziale Hubble – e quindi con un set di dati più grande – hanno fornito prove ancora più convincenti per l’evento. E il team è stato in grado di restringere i tempi sia per l’evento che per la sua durata.

“Questi risultati cambiano radicalmente la nostra comprensione della Via Lattea“, ha detto l’astronoma Magda Guglielmo dell’Università di Sydney. “Abbiamo sempre pensato alla nostra Galassia come a una galassia inattiva, con un centro non così brillante. Questi nuovi risultati, invece, aprono a nuove interpretazioni sulla evoluzione e la natura della via Lattea”.

Ci sono diversi indizi che hanno contribuito a mettere insieme l’immagine. Le più chiare sono le enormi “bolle di Fermi“, dei fasci di radiazioni gamma e X, che si estendono sopra e sotto il piano galattico, rilevate dai satelliti Fermi e ROSAT. Queste bolle si estendono, in totale, per circa 50.000 anni luce, 25.000 sopra e 25.000 sotto il piano galattico.

Nel 2013, gli astronomi riportarono la scoperta di una emissione idrogeno-alfa lungo una sezione del torrente Magellanico direttamente in linea con la bolla. La causa più probabile di questa cosa, spiegarono, fu uno scoppio di energia ionizzante avvenuto al centro della Via Lattea.

Ciò che Hubble ha individuato è un altro pezzo di quel puzzle. Alcuni rapporti di assorbimento nelle lunghezze d’onda dei raggi ultravioletti rivelano che alcune delle nuvole nel torrente sono altamente ionizzate e da una fonte molto energetica.

“Mostriamo come queste sono nuvole catturate in un fascio di coni di ionizzazione bipolari e radiativi da un nucleo di Seyfert associato a Sgr A *“, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo.

Fondamentalmente, i due coni in espansione, partendo da una piccola regione vicino al centro galattico e espandendosi verso l’esterno sopra e sotto il piano galattico, hanno trasmesso le radiazioni ionizzanti molto lontano nello spazio, ionizzando il gas nel torrente di Magellano, fino a distanze di centinaia di migliaia di anni luce.

“Il bagliore prodotto dall’esplosione deve essere stato un po’ come il raggio di un faro“, ha spiegato Bland-Biancospino. “Immaginiamo l’oscurità, e poi, all’improvviso, qualcuno accende un faro luminosissimo per un breve periodo di tempo“.

Un diagramma schematico del campo di radiazione ionizzante sull’emisfero galattico meridionale, interrotto dal bagliore. (Bland-Hawthorne, et al ./ASTRO 3D)

Solo i getti relativistici espulsi dall’orizzonte degli eventi di un buco nero che si nutre attivamente potrebbero essere abbastanza potenti da produrre quell’effetto, hanno detto i ricercatori.

Il bagliore avvenne circa 3,5 milioni di anni fa e durò per circa 300.000 anni. Su scala cosmica si può considerare un’esplosione piuttosto breve.

All’epoca, la Terra era in pieno Pliocene, il periodo in cui emerse la maggior parte delle specie moderne.

Per tutto il periodo successivo sembra che Sgr A * sia stato relativamente tranquillo ma  recenti osservazioni mostrano che potrebbe stare per iniziare una fase più movimentata.

“Si tratta di un evento drammatico accaduto qualche milione di anni fa nella storia della Via Lattea“, ha dichiarato l’astronoma Lisa Kewley della Australian National University e l’ARC Center of Excellence for All Sky Astrophysics in 3D.

“Un’enorme esplosione di energia e radiazioni è emersa proprio dal centro galattico e nel materiale circostante. Ciò dimostra che il centro della Via Lattea è un luogo molto più dinamico di quanto pensassimo“.

La nostra distanza di 26.000 anni luce dal centro galattico significa che probabilmente siamo al sicuro da qualsiasi getto di energia che può inviare Sgr A *, dopo tutto, sembra che siamo usciti incolumi da BH2013. Se siamo fortunati, però, in futuro potremmo poter vedere uno spettacolo di luci generato dal buco nero supermassiccio che si trova al centro della via Lattea.

La ricerca è stata accettata su The Astrophysical Journal.

In meccanica quantistica è abbastanza noto il famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger, in cui un ipotetico felino chiuso in una scatola con una fiala di veleno è da considerare, fino all’osservazione effettiva aprendo la scatola, allo stesso tempo, sia vivo che morto. questo esercizio mentale serve per illustrare il paradosso multi-stato della meccanica quantistica.

Bene, ora gli scienziati sono riusciti ad applicare questa teoria a grandi molecole composte da 2.000 atomi.

La sovrapposizione quantistica è stata testata innumerevoli volte su sistemi più piccoli, con i fisici che hanno potuto dimostrare con successo che le singole particelle possono trovarsi in due punti contemporaneamente. Ma questo tipo di esperimento non è mai stato condotto su questa scala prima.

Quello che l’esperimento fa è consentire agli scienziati di affinare le ipotesi della meccanica quantistica e capire di più su come funziona questo ramo particolarmente bizzarro della fisica e su come, su scale più ampie, le leggi della meccanica quantistica si accordano alle regole classiche della fisica tradizionale.

“I nostri risultati mostrano un eccellente accordo con la teoria dei quanti e non possono essere spiegati in modo classico“, affermano i ricercatori nel l’articolo pubblicato di recente.

In particolare, il nuovo studio coinvolge l’equazione di Schrödinger (sì, di nuovo lui), che descrive come anche singole particelle possano agire come onde in più punti contemporaneamente, interferendo tra loro proprio come le increspature dell’acqua in uno stagno stagno in cui viene tirato un sasso.

Per testare la loro ipotesi, gli scienziati hanno avviato il classico , un test molto familiare a chi si interessa di fisica quantistica.

Tradizionalmente, questo esperimento comporta la proiezione di singole particelle di luce (fotoni) attraverso due fenditure. Se i fotoni si comportassero semplicemente come particelle, la risultante proiezione di luce sull’altro lato mostrerebbe semplicemente una banda. Ma in realtà, la luce proiettata sull’altro lato mostra un modello di interferenza: più bande che interagiscono, dimostrando che anche le particelle di luce possono agire come onde.

(Johannes Kalliauer / Wikimedia, CC-BY-SA 3.0)

Questo esperimento sembra dimostrare che i fotoni si trovino in due punti contemporaneamente, proprio come il gatto di Schrödinger. Ma come molti di noi sanno, il gatto è in due stati sovrapposti solo finché rimane inosservato. Non appena la scatola viene aperta, si stabilisce lo stato di vivo o morto, non più entrambi.

Con i fotoni è la stessa cosa. Non appena la luce viene misurata o osservata direttamente, la sovrapposizione scompare e lo stato del fotone è bloccato. Questo è uno degli enigmi nel cuore della meccanica quantistica.

Lo stesso esperimento della doppia fenditura era già stato testato con elettroni, atomi e molecole più piccole. E ora i fisici hanno dimostrato che si applica anche a molecole enormi.

In questa versione dell’esperimento a doppia fenditura, il team è stato in grado di utilizzare molecole pesanti, composte da un massimo di 2.000 atomi, per creare schemi di interferenza quantica, come se si comportassero come onde e si trovassero in più di un posto.

Le molecole erano conosciute come “oligo-tetrafenilporfirine arricchite con catene fluoroalchilsulfanil“, e alcune avevano oltre 25.000 volte la massa di un atomo di idrogeno.

Ma, man mano che le molecole diventano più grandi, diventano anche meno stabili e gli scienziati sono stati in grado di farle interferire solo per sette millisecondi alla volta, utilizzando un dispositivo di nuova concezione chiamato interferometro a onda di materia (progettato per misurare gli atomi lungo percorsi diversi).

Per la correttezza dell’esperimento, sono stati presi in considerazione anche fattori come la rotazione terrestre e l’attrazione gravitazionale. Il risultato è che ora sappiamo che queste molecole giganti possono trovarsi in due punti contemporaneamente, così come gli atomi molto più piccoli.

Tradizionalmente, la meccanica quantistica entra in gioco su scale molto piccole mentre la fisica classica funziona bene sulle su grandi scale, questo significa che più grandi sono le molecole che possiamo far lavorare con l’esperimento della doppia fenditura, più ci avviciniamo a quella linea di confine tra fisica quantistica  e classica. Un precedente record per questo tipo di studio ha coinvolto molecole di dimensioni fino a 800 atomi.

“I nostri esperimenti dimostrano che la nostra conoscenza della meccanica quantistica, con tutta la sua stranezza, è anche straordinariamente solida, e sono ottimista sul fatto che i futuri esperimenti lo confermeranno su scale ancora maggiori“, afferma il fisico Yaakov Fein, dell’Università di Vienna, in Austria.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.

È noto che il nostro sistema solare è composto di otto pianeti ma, nascosto nel sistema solare esterno potrebbe essercene un nono. No, questo pianeta nove non è Plutone ma piuttosto un mondo dieci volte più distante dal Sole con una massa cinque volte più grande della Terra. Un mondo freddo e oscuro in agguato ai margini del regno del Sole.

Nessun pianeta del genere è stato ancora scoperto, ma ci sono alcuni indizi che potrebbe esserci.

Se Planet Nine esistesse davvero, la sua massa interagirebbe gravitazionalmente con gli altri corpi nel sistema solare. Questa attrazione sarebbe troppo piccola per essere notata per la maggior parte dei pianeti, ma influenzerebbe più fortemente i piccoli corpi che si trovano oltre l’orbita di Nettuno, quelli che sono noti come Trans-Neptunian Objects (TNOs).

Negli ultimi due decenni, abbiamo trovato centinaia di questi oggetti ed è stato notato che molti di loro hanno orbite che sembrano essere orientate in una direzione simile. Questo viene ritenuto un fatto anomalo poiché gli scienziati si aspetterebbero che le orbite di questi corpi distanti così distanti dal Sole siano abbastanza casuali. Nel 2016, Konstantin Batygin e Michael Brown suggerirono che questo raggruppamento potrebbe essere causato da un pianeta ancora da scoprire. Ulteriori studi sul raggruppamento statistico dei TNO hanno suggerito che le prove non sono così forti, ma vale comunque la pena cercare un tale pianeta.

Con una massa tra le cinque e le dieci terre, il Pianeta Nove sarebbe probabilmente grosso modo grande come Nettuno. Anche a una distanza di 500 UA sarebbe abbastanza grande da essere visto dai nostri migliori telescopi. Ma i sondaggi condotti sia dal Pan-STARRS che dal Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) non hanno trovato prove della presenza di questo fantomatico pianeta.

Ora, un nuovo articolo di Jakub Scholtz e James Unwin suggerisce che, dopo tutto, potremmo non essere in grado di vederlo. Perché potrebbe non essere un pianeta, ma piuttosto un buco nero.

Sembra un’idea folle, ma non è al di fuori del regno delle possibilità. Per cominciare, se Planet Nine fosse un buco nero di massa planetaria, la sua attrazione gravitazionale sui TNO sarebbe esattamente la stessa. Tecnicamente, le prove gravitazionali per un nono pianeta sono anche prove di un possibile piccolo buco nero. Ed è possibile che esistano buchi neri di massa planetaria.

Ma potrebbe esistere una terza tipologia di buchi neri noti come buchi neri primordiali.

Questi potrebbero essersi formati nei primi momenti dell’universo, quando la densità cosmica era così alta che le fluttuazioni di densità collassavano su se stesse.

Teoricamente, i buchi neri primordiali potrebbero avere una massa qualunque, da quella di un piccolo asteroide a quella di migliaia di stelle. Se esistessero i buchi neri primordiali, alcuni potrebbero avere una massa giusta per essere il Pianeta Nove.

I buchi neri primordiali, se esistessero, sarebbero troppo piccoli per essere osservati direttamente. Se Planet Nine fosse davvero un buco nero, avrebbe le dimensioni di una mela.

Uno dei modi che potrebbero permetterci di osservare i buchi neri primordiali è attraverso un effetto noto come microlensing gravitazionale. Se un piccolo buco nero si trovasse tra noi e una stella lontana, la luce della stella verrebbe deviata gravitazionalmente dal buco nero, facendo apparire la stella momentaneamente più luminosa.

Quando l’esperimento di lente gravitazionale ottica (OGLE) ha cercato eventi di microlensing, ne hanno trovati più del previsto e questo surplus potrebbe essere spiegato dalla presenza di buchi neri primordiali nella nostra galassia.

I dati di OGLE non dimostrano l’esistenza di buchi neri primordiali, ma suggeriscono che potrebbero esistere, proprio come il raggruppamento dei TNO suggerisce che Planet Nine potrebbe esistere.

Quindi, forse, un buco nero primordiale potrebbe essere stato catturato dal nostro Sole e ora orbita attorno alla nostra stella, alterando leggermente le orbite dei corpi distanti del sistema solare.

Va sottolineato che si tratta di molte speculazioni che cercano di giustificare alcune evidenti prove. Solo perché “potrebbe” esserci un buco nero nel sistema solare esterno non significa che ci sia. È possibile che un mondo simile a Nettuno sia là fuori e non sia stato ancora trovato. È anche possibile che il raggruppamento di TNO sia circostanziale e non vi sia alcun Pianeta Nove.

Riferimento: Scholtz, Jakub e James Unwin. “Che cosa succede se Planet 9 è un buco nero primordiale?” arXiv prestampa arXiv: 1909.11090 (2019).

Fonte: Forbes.