L’eleganza del Quanto

Esiste un’armonia anche nel nanomondo governato dalla leggi della meccanica quantistica. O, quanto meno, esiste una simmetria dovuta agli effetti quantistici che agiscono sugli atomi di un cristallo. E fra i numeri che la descrivono compare anche la sezione aurea: il classico “1,618”,  ben noto in geometria, nell’arte e nell’architettura. La scoperta, riportata su Science, è di un gruppo di ricercatori europei coordinato da Radu Coldea dell’Università di Oxford.

Su scale atomiche i fenomeni fisici obbediscono alle leggi quantistiche, fra cui il famoso Principio di Indeterminazione di Heisenberg in base al quale è impossibile conoscere con precisione (arbitrariamente) alta il valore di certe coppie di grandezze fisiche, per esempio impulso e posizione di una particella. Per studiare gli effetti quantistici su scale nanometriche, i ricercatori hanno utilizzato un materiale chiamato niobato di cobalto (CoNb2O6). Portando il materiale a temperature poco superiori allo zero assoluto, gli atomi si dispongono in lunghe catene, formando sottilissimi magneti larghi appena un atomo, che si comportano come corde di uno strumento musicale.

Applicando un intenso campo magnetico (perpendicolare agli spin degli elettroni nelle catene atomiche), il sistema raggiunge uno “stato quantistico critico” in cui è possibile misurare i “modi di vibrazione” del sistema. I ricercatori hanno evidenziato che i modi possibili obbediscono a relazioni matematiche tipiche di una simmetria chiamata E8, ben nota agli scienziati, poiché è molto usata in fisica teorica nella formulazione della teoria delle Stringhe e nelle teorie di Supergravità.

Analogamente alla corda di una chitarra, che possiede certe note caratteristiche, anche queste catene atomiche hanno modi di eccitazione ben determinati. Studiandoli in dettaglio, gli scienziati hanno trovato che il rapporto fra le frequenze delle prime due “note” vale circa 1,618, il numero della sezione aurea, l’ideale classico di bellezza e armonia.  Secondo Coldea non si tratta di una coincidenza, ma il rapporto riflette una bellissima proprietà di un sistema quantistico, cioè una simmetria nascosta. Che ha stupito tutti facendo la sua prima comparsa nella fisica dello stato solido. (m.r.)

Riferimento: DOI: 1180085/JEC/PHYSICS

Immagine: Il campo magnetico è utilizzato per portare il sistema in uno stato critico quantistico. Usando la diffusione di neutroni si possono misurare i modi caratteristici di vibrazione del sistema.
Credits: Helmolz-Zentrum Berlin fur Materialen un Energie (HZB)