“Non passerà molto tempo prima che si possa dire se abbiamo ragione o torto”: così dichiarava il professor Erio Tosatti in occasione della pubblicazione, su PNAS, di una ricerca targata SISSA/ICTP condotta insieme a Michele Fabrizio, Sandro Scandolo e al primo autore Yanier Crespo. Crespo era stato prima studente di Diploma ICTP e poi studente di dottorato SISSA-ICTP: questo lavoro fu in effetti la sua tesi di PhD. Sono trascorsi poco più di dieci anni e la conferma sperimentale di quello studio teorico è arrivata. I risultati di questa nuova indagine sono appena stati pubblicati su Physical Review Letters.
Il nuovo lavoro, realizzato presso il Sincrotrone di Grenoble, riporta l’osservazione di una sottile transizione strutturale nell’ossigeno solido a circa 180.000 atmosfere e si concentra sulla cosiddetta “fase epsilon”.
Sottoposte a pressioni elevatissime, le molecole O_2 di ossigeno, notoriamente magnetiche con “spin 1”, il doppio di quello di un elettrone, tendono a raggrupparsi in “quartetti” a circa 8.000 atmosfere. Qui si apre una lunga fase, detta appunto “fase epsilon”, dove il magnetismo sembra scomparire. Tuttavia, nella ricerca del 2014 – basata su teorie e sofisticate simulazioni – gli scienziati dei due istituti triestini avevano ipotizzato che la realtà fosse più complessa: la fase epsilon non sarebbe affatto omogenea, ma composta da due sottofasi fisicamente molto diverse.
Secondo Crespo, Fabrizio, Scandolo e Tosatti, la prima, detta “fase epsilon₀”, si manifesta tra 18 e 96 GPa ed è effettivamente priva di magnetismo. La seconda, “fase epsilon₁”, si sviluppa invece tra 80.000 e 180.000 volte la pressione atmosferica ed è caratterizzata da uno “spin liquid” (liquido di spin 1) confinato dentro ciascun quartetto . In questo stato, gli spin – cioè la direzione della polarizzazione magnetica di ciascuna molecola – oscillano continuamente tra “su” e “giù” in una sorta di danza perpetua, mantenendo così nullo il magnetismo complessivo. In altre parole, il magnetismo non è assente, ma costantemente neutralizzato dal movimento degli spin. La nuova ricerca pubblicata su Physical Review Letters conferma proprio questa previsione.
Commenta Erio Tosatti:
“Gli stati di spin risonanti sono piuttosto rari ma importanti nella fisica dello stato solido. Lo stato di singoletto risonante intra-quartetto realizzato dai quattro spin1 è assolutamente unico in natura: con un po’ di immaginazione, puo’ essere visto come una nano-goccia di liquido quantistico. Ciò che i colleghi hanno osservato sperimentalmente conferma le nostre teorie, come sottolineato anche negli highlights di Physics, è il sottile ma inequivocabile segnale di spegnimento alla pressione critica del pre-esistente stato risonante, che dopo le previsioni teoriche è perciò individuato per la prima volta. È un risultato davvero importante e, per noi, una grande soddisfazione. Restano naturalmente da esplorare ulteriori proprietà dei ‘quartetti musicali di spin’ organizzati spontaneamente all’interno della fase epsilon. Il terreno per questo progresso era stato preparato già allora, grazie a quella ricerca condotta dai fisici di SISSA e ICTP, col contributo fondamentale di uno studente di ambedue le istituzioni”.