Certe particelle quantistiche, le quasiparticelle, sono fondamentalmente immortali

Niente dura per sempre. Umani, pianeti, stelle, galassie, forse persino l’Universo stesso, tutto ha una data di scadenza. Ma le cose nel regno della meccanica quantistica non seguono sempre le regole. Ora, gli scienziati hanno scoperto che le quasiparticelle nei sistemi quantistici potrebbero essere effettivamente immortali.

Ciò non significa che non decadano, il che è rassicurante. Ma una volta che queste quasiparticelle sono decadute, sono in grado di riorganizzarsi nell’esistenza, probabilmente all’infinito.

Questo apparentemente viola la seconda legge della termodinamica, che afferma che l’entropia di un sistema isolato lontano dall’equilibrio termico tende ad aumentare nel tempo, finché l’equilibrio non è raggiunto: l’ordine si può solo distruggere, non ricostruire di nuovo, senza immettere energia dall’esterno.

Certo, la fisica quantistica spesso ha regole strane, ma persino gli scienziati quantistici non sapevano che le quasiparticelle erano strane in questo modo particolare.

Fino ad ora, l’ipotesi era che le quasiparticelle nei sistemi quantistici interagenti si deteriorassero dopo un certo periodo“, ha detto il fisico Frank Pollman dell’Università tecnica di Monaco.

Ora sappiamo che è vero il contrario: le interazioni forti possono addirittura interrompere completamente la decadenza“.

Le quasiparticelle

Come recita Wikipedia, In fisica le quasiparticelle sono entità a cui è possibile attribuire proprietà particellari che sono identificabili in sistemi contenenti particelle interagenti tra loro. Può essere pensata come l’insieme di una particella singola e della circostante nuvola costituita da altre particelle da essa respinte o trascinate nel suo moto attraverso il sistema (da cui anche il termine sinonimo di particella vestita). L’entità può quindi essere considerata come una particella effettiva libera (non interagente).

Le quasiparticelle non sono particelle nel modo in cui normalmente le pensiamo, come gli elettroni ed i quark. Piuttosto, sono i disturbi o le eccitazioni in un solido causato da forze elettriche o magnetiche che, collettivamente, si comportano come particelle.

I fononi, le unità discrete di energia vibratoria che descrive un quanto di vibrazione in un reticolo cristallino rigido, sono spesso classificati come quasiparticelle, come i polaroni, elettroni intrappolati in un reticolo circondato da una nuvola di polarizzazione.

I ricercatori coinvolti in questo ultimo studio hanno sviluppato metodi numerici per calcolare le interazioni complesse di queste quasiparticelle e hanno eseguito simulazioni su un potente computer per osservare come decadono.

Secondo gli studi effettuati attraverso le simulazioni elaborate, le quasiparticelle decadono, tuttavia nuove entità identiche emergono dai detriti“, ha detto il fisico Ruben Verresen dell’Università tecnica di Monaco e l’Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi.

Se questo decadimento procede molto rapidamente, dopo un certo tempo si verificherà una reazione inversa e i detriti convergeranno nuovamente. Questo processo può ripresentarsi all’infinito e emerge un’oscillazione sostenuta tra decadimento e rinascita.”

E questo, sottolineano i fisici, non viola la seconda legge della termodinamica. Questo perché l’oscillazione è un’onda che si trasforma in materia, che è coperta dal concetto di meccanica quantistica della dualità onda-particella.

La loro entropia non sta diminuendo, ma rimane costante e questo è ancora piuttosto strano.

Conseguenze

In realtà, la scoperta ha risolto un paio di altri problemi. Ad esempio, c’è un composto magnetico Ba 3 CoSb 2 O 9  che viene utilizzato in esperimenti che in precedenza erano risultati essere inaspettatamente stabili. Ora sembra che la chiave di questi risultati inattesi potrebbero essere proprio le quasiparticelle magnetiche che questo composto contiene, chiamate magnoni. Secondo la simulazione, si riorganizzano dopo il decadimento.

Un altro esempio è l’elio: alla temperatura dello zero assoluto diventa un superfluido privo di resistenza e questa proprietà peculiare potrebbe essere spiegata dal fatto che questo gas è pieno di quasiparticelle chiamate rotoni.

Al momento, si tratta di un lavoro svolto esclusivamente nel regno teorico, ma i ricercatori ritengono che questa immortalità delle quasiparticelle, le dota di un forte potenziale di memorizzazione duratura dei dati nei sistemi di calcolo quantistico.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.

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