Osservato un nuovo stato della materia

A oltre quarant’anni dalla sua teorizzazione, i ricercatori hanno trovato le prove dell’esistenza in natura di un nuovo stato della materia denominato quantum spin liquid. L’esperimento, condotto su un materiale magnetico di struttura bidimensionale, come il grafene, ha coinvolto cinque istituzioni scientifiche tra le quali l’Università di Cambridge e il laboratorio nazionale di Oak Ridge, ed è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials.

“Si tratta di un nuovo stato quantico della materia, che era stato solo previsto ma mai osservato”, spiega Johannes Knolles, postdoc nel Laboratorio Cavendish che studia la teoria della materia condensata all’Università di Cambridge e uno dei coautori del paper. Sebbene fosse stato ipotizzato già nel 1973 dal premio nobel statunitense Philip Anderson, il quantum spin liquid era infatti considerato uno stato, sfuggente e misterioso, di alcuni materiali magnetici mai osservato in natura.

In un tipico materiale magnetico, gli elettroni si comportano come piccole calamite. Anche quando il materiale è esposto a temperature prossime allo zero assoluto, queste calamite si dispongono coerentemente, orientando tutti i “polo nord” nella stessa direzione. Ciò non accade nello stato di quantum spin liquid dove a causa delle fluttuazioni quantistiche, gli elettroni invece di orientarsi è come se si frazionalizzassero dando vita a una “zuppa di entanglement”.

Osservato un nuovo stato della materia
Frazionalizzazione di spin liquid in un reticolo a celle esagonali con neutroni (Cortesia: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory)

In accordo con uno dei principali modelli teorici che ne prevedeva la formazione, noto come modello di Kitaev, per la prima volta i ricercatori sono riusciti a osservare i prodotti di questa frazionalizzazione — noti come fermioni di Majorana — in una struttura

bidimensionale di cristalli di tricloruro di rutenio (RuCl3). Usando la tecnica dello scattering non elastico di neutroni, i ricercatori hanno irraggiato i cristalli con neutroni per studiare lo schema di increspature che questi producevano sullo schermo, alla ricerca di tracce della frazionalizzazione.

“Fino a non molto tempo fa non avevamo nemmeno idea di che cosa potesse risultare dall’impronta sperimentale”, dice Dmitry Kovrizhin, ricercatore nello stesso gruppo di Knolle, rivelando come gli studi precedenti non avessero definito lo scopo dell’esperimento quanto che cosa sarebbe apparso in un ipotetico quantum spin liquid. Lo spettro di eccitazione di un normale magnete avrebbe infatti lasciato tracce note mentre lo schema dei fermioni di Majorana era del tutto sconosciuto.

Ciò che i ricercatori hanno osservato sullo schermo combacia con la previsione di tracce definite e distinte teorizzata dal gruppo di Cambridge nel 2014, fornendo per la prima volta le prove dirette dell’esistenza del quantum spin liquid in un materiale esistente. In questo senso, l’osservazione della frazionalizzazione degli elettroni è una piacevole scoperta.

“Abbiamo fornito un piccolo ma importante contributo a quel poco che conosciamo dello stato quantico della materia – conclude Kovrizhin – Aprendo la strada a nuove ricerche”. Sia teoriche che pratiche: i fermioni di Majorana potrebbero infatti essere usati come componenti dei computer quantistici, molto più rapidi e dotati di una capacità di calcolo incomparabile con quella dei computer attuali.

Fonte: Le Scienze

Annunci

Onde Gravitazionali…SI!

12716301_10153919596122579_7082942185768566499_o

A 100 anni dalla previsione di Albert Einstein, sono state finalmente osservate le onde gravitazionali.L’annuncio è arrivato oggi pomeriggio alle 16:30 da Pisa.,qualche minuto prima della conferenza stampa gemella, tenutasi a Washington. Alle 10,50 e 45 secondi (ora italiana) del 14 settembre 2015 i due strumenti dell’esperimento Ligo negli Stati Uniti (nello Stato di Washington e in Louisiana) hanno registrato un dato anomalo. Sono iniziate subito le conferme per avere la sicurezza.Per la fisica e la scienza tutta l’11 febbraio 2016 sarà essere quindi una data che avrà un capitolo a parte in tutti i libri di testo. Le onde gravitazionali, sono un caposaldo della teoria della relatività di Einstein.

L’osservazione

Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le tre masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi hanno percorso una traiettoria a spirale per poi scontrarsi a una velocità di circa 150 mila chilometri al secondo, la metà della velocità della luce. L’osservazione conferma anche l’esistenza di sistemi binari di buchi neri di massa stellare, in particolare aventi massa maggiore di 25 masse solari. Il processo di fusione dei due buchi neri responsabile delle onde gravitazionali rivelate è un evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale quindi a quasi un miliardo e mezzo di anni fa.

Cosa sono

Le onde gravitazionali sono come piccole increspature del tessuto dello spazio-tempo che permea tutto l’universo. Secondo Einstein la gravità stessa è dovuta alla curvatura dello spazio-tempo causata dalla massa. Le onde gravitazionali sono prodotte dal movimento di corpi dotati di massa nello spazio-tempo. Più gli eventi sono colossali ed emettono straordinarie quantità di energia, come il Big Bang stesso, lo scontro tra due buchi neri, la «danza» di avvicinamento di due stelle di neutroni che ruotano rapidamente (pulsar), maggiore è la grandezza delle onde gravitazionali e quindi – in teoria – è più facile captarle. Solo che finora con gli strumenti a nostra disposizione risultava praticamente impossibile riuscire a decifrarle perché noi stessi e gli strumenti siamo immersi a nostra volta nello spazio-tempo e veniamo coinvolti dalle sue oscillazioni.

COME RIVELIAMO LE ONDE GRAVITAZIONALI: GLI INTERFEROMETRI

Virgo_aerial_view_01
Rivelare le onde gravitazionali è un’impresa complessa perché l’interazione gravitazionale è la più debole dell’universo. I fisici hanno così progettato speciali rivelatori, la cui realizzazione ha richiesto nuove soluzioni tecnologiche d’avanguardia. Sono gli interferometri laser: costituiti da due bracci perpendicolari lunghi chilometri (4 km in LIGO e 3 km in VIRGO) al cui interno sono fatti propagare fasci laser, riflessi da specchi per allungarne il percorso, e quindi ricombinati a formare una figura di interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro produce una variazione nella lunghezza dei bracci: uno si allunga mentre l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto più piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore.

“Ho accolto questa notizia con grande gioia, – commenta Adalberto Giazotto, fisico dell’INFN “padre” di VIRGO – sono molto contento di questo risultato, che rappresenta il coronamento di una linea di ricerca che avevamo iniziato noi di VIRGO decine di anni fa. Siamo stati i primi a dire che era necessario costruire un rivelatore capace di osservare onde gravitazionali anche di bassa frequenza: è stato il più grande avanzamento nella tecnologia degli interferometri da quando si sono iniziati a realizzare questi rivelatori, negli anni ’80 del Novecento. VIRGO è stato, infatti, il primo rivelatore al mondo capace di scendere alle basse frequenze, cui ha fatto seguito il progetto americano Advanced LIGO”.

COME RIVELIAMO LE ONDE GRAVITAZIONALI: GLI INTERFEROMETRI
Rivelare le onde gravitazionali è un’impresa complessa perché l’interazione gravitazionale è la più debole dell’universo. I fisici hanno così progettato speciali rivelatori, la cui realizzazione ha richiesto nuove soluzioni tecnologiche d’avanguardia. Sono gli interferometri laser: costituiti da due bracci perpendicolari lunghi chilometri (4 km in LIGO e 3 km in VIRGO) al cui interno sono fatti propagare fasci laser, riflessi da specchi per allungarne il percorso, e quindi ricombinati a formare una figura di interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro produce una variazione nella lunghezza dei bracci: uno si allunga mentre l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto più piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore.

“Ho accolto questa notizia con grande gioia, – commenta Adalberto Giazotto, fisico dell’INFN “padre” di VIRGO – sono molto contento di questo risultato, che rappresenta il coronamento di una linea di ricerca che avevamo iniziato noi di VIRGO decine di anni fa. Siamo stati i primi a dire che era necessario costruire un rivelatore capace di osservare onde gravitazionali anche di bassa frequenza: è stato il più grande avanzamento nella tecnologia degli interferometri da quando si sono iniziati a realizzare questi rivelatori, negli anni ’80 del Novecento. VIRGO è stato, infatti, il primo rivelatore al mondo capace di scendere alle basse frequenze, cui ha fatto seguito il progetto americano Advanced LIGO”.

Perché sono importanti

La scoperta dell’esistenza delle onde gravitazionali non è solo (l’ennesima) conferma sperimentale della validità della teoria di Einstein, ma rivoluziona e amplia il mondo della fisica e della ricerca cosmologica. Per esempio finora lo studio del cosmo è stato realizzato solo attraverso i segnali emessi da stelle e galassie nello spettro elettromagnetico (luce visibile, raggi X e gamma, infrarossi, ultravioletti, onde radio di varia lunghezza d’onda). L’esistenza delle onde gravitazionali apre un mondo nuovo: la possibilità di studiare l’universo (e i misteriosi buchi neri) in modo completamente differente. Oltre che «vederlo», saremo in grado anche di «sentirlo» nella sua essenza più fondamentale, lo spazio-tempo, due elementi che, secondo Einstein, sono una cosa sola. E capire come e perché l’universo non solo si espande, ma sta addirittura accelerando la sua velocità di ampliamento. E c’è chi ipotizza scenari che sfiorano la fantascienza: la verifica dell’esistenza di tunnel spazio-temporali (wormhole in inglese) nelle vicinanze dei buchi neri che potrebbero mettere in relazione parti distanti dell’universo o addirittura universi diversi dal nostro. Infine arrivare alla soluzione dei componenti di base dello spazio-tempo secondo la teoria della meccanica quantistica, ancora divisa tra «stringhe», «brane» o «anelli» (loop). «Questo risultato rappresenta un regalo speciale per il centesimo anniversario della relatività generale», ha concluso Fernando Ferroni, presidente dell’Infn. «È il sigillo finale sulla meravigliosa teoria che ci ha lasciato il genio di Einstein ed è anche una scoperta che premia il gruppo di scienziati che ha perseguito questa ricerca per decenni alla quale l’Italia ha dato un grande contributo».

Ernesto Ammerata

Fonte: INFN.it e Corriere.it

 

Onde gravitazionali, si o no?

onde gravitazionali-kYd-U10603098834041GJ-700x394@LaStampa.it

Ci siamo o non ci siamo? Questo è il problema. Mi sono ispirato alla celebre frase di Amleto… si, perché stiamo per parlare di un argomento che da 100 anni, cioè dalla formulazione della relatività di Einstein, sta facendo impazzire i fisici, stiamo parlando delle onde gravitazionali.

Da giorni, si sente dire che forse questa volta ci siamo e che l’annuncio della scoperta di queste onde sia davvero vicino. Bisognerà attendere però per l’annuncio due o tre settimane, ma vediamo perché.

A fare la grande scoperta sarebbero stati due interferometri «Ligo», che sono in funzione negli Usa e collaborano con l’analogo strumento italo-francese «Virgo», vicino a Pisa. E tuttavia anche stavolta, si dice, la Natura si sarebbe divertita a rendere più complicata la vita dei ricercatori.

Le onde gravitazionali sono minuscole increspature dello spazio-tempo provocate da masse in movimento. La loro esistenza è prevista dalla teoria della Relatività e i fisici cercano di registrarle. A rendere ardua l’impresa, però, sono i limiti degli strumenti, in grado di individuare solo le onde provocate da fenomeni colossali, rari e imprevedibili.

Da un decennio gli strumenti più avanzati per la ricerca delle onde gravitazionali sono gli «interferometri». Sono costituiti da due bracci posti ad angolo retto, lunghi alcuni km e percorsi da raggi laser. L’arrivo di un’onda gravitazionale dovrebbe deformare lo spazio-tempo, modificando la lunghezza relativa dei due bracci. Anche se il mutamento previsto è inferiore al diametro di un atomo, basterebbe ad alterare il tempo impiegato dalla luce a percorrerli, segnalando così l’avvenuto passaggio di una delle sfuggenti onde.

due interferometri «Ligo», in funzione sulle coste Est e Ovest degli Usa, hanno rilevato un segnale contemporaneo molto interessante. Angelo Scribano, uno dei «padri» dello European Gravitational Observatory che gestisce «Virgo» e uno degli artefici dell’accordo tra italiani e americani, laconicamente dice che «il gruppo “Ligo-Virgo” che analizza congiuntamente i dati è in piena attività». La misura, tuttavia, non sarebbe avvenuta in condizioni ideali.

Quanto al segnale, della durata di circa mezzo secondo, sembrerebbe essere stato prodotto dalla fusione di due buchi neri: di tutti i fenomeni che possono generare onde gravitazionali è il più sfuggente, perché invisibile ai telescopi. Eppure, nonostante questi limiti, il dato sarebbe estremamente interessante, visto che sarebbe stato registrato in contemporanea dai due «Ligo». E’ presto per cantare vittoria, non resteremo con il fiato sospeso a lungo. Entro poche settimane dovrebbe avere la conferma o la smentita, non ci rimane che attendere e incrociare le dita.

Ernesto Ammerata

Fonte: La stampa

L’atomo (cosa è…come è fatto…)

Buongiorno amici,
oggi ho pensato che volevate iniziare la nuova settimana, imparando qualcosina in più di fisica, in particolare degli atomi.
Per questo motivo vi posto un articolo che parecchi anni fa ho utilizzato per la mia tesi di laurea.
Andiamo subito allora a conoscere gli atomi e vedere cosa sono queste entità  di cui noi stessi e l’universo intero siamo costituiti.

 GLI ATOMI.  La materia è composta da atomi, costituiti da un nucleo centrale, in cui sono presenti protoni e neutroni (nucleoni) tenuti insieme da una forza di coesione nucleare (la forza forte) più intensa di quella elettrica, e da elettroni, in eguale numero dei protoni, che orbitano intorno al nucleo e sono mantenuti dalla forza elettrostatica, legata alla loro carica elettrica di segno opposto (negativa) a quella dei protoni positiva.La materia è composta da atomi, costituiti da un nucleo centrale, in cui sono presenti protoni e neutroni (nucleoni) tenuti insieme da una forza di coesione nucleare (la forza forte) più intensa di quella elettrica, e da elettroni, in eguale numero dei protoni, che orbitano intorno al nucleo e sono mantenuti dalla forza elettrostatica, legata alla loro carica elettrica di segno opposto (negativa) a quella dei protoni positiva.

atomo

Il fatto che in condizioni normali un atomo abbia lo stesso numero di elettroni e protoni, lo rende un entità elettricamente neutra.

I nucleoni costituenti il nucleo degli atomi sono a loro volta composti da particelle dette quark, ciascun nucleone ne contiene in numero di 3 con caratteristiche che determineranno la carica o la neutralità del nucleone stesso.

I quark insieme ai leptoni (come ad esempio l’elettrone) costituiscono le particelle elementari ed indivisibili della materia.

Il nucleo occupa una parte infinitesima dell’intero volume dell’atomo e, nonostante ciò, i nucleoni che lo compongono, avendo una massa di circa 2000 volte quello degli elettroni, costituiscono quasi l’intera massa dell’atomo.

Un elemento è una specie chimica con un numero definito di protoni ed elettroni, gli atomi di idrogeno ne hanno uno solo, quelli di elio due, e così via.

Come già detto, in condizioni normali un atomo possiede un numero pari di elettroni e protoni, il numero dei protoni è detto “numero atomico” ed è indicato con il simbolo Z. I neutroni, il cui numero si indica con la lettera N, si limitano ad aggiungere peso e svolgono un ruolo chiave nella struttura del nucleo, ma non incidono sulle proprietà della nube elettronica esterna.

Il numero dei nucleoni, ossia la somma dei protoni e dei neutroni costituenti il nucleo, si indica comunemente con la lettera A (A=Z+N) ed è detto “numero di massa”.

Due atomi con lo stesso numero di protoni e diverso numero di neutroni si dicono isotopi e possono essere stabili o instabili. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno eguale numero di protoni e di elettroni e pertanto sono indistinguibili l’uno dall’altro per le sole proprietà chimiche (determinate esclusivamente dalla struttura elettronica dell’atomo). Per distinguerli bisogna ricorrere a metodi fisici di indagine in cui entra in gioco la diversa massa dei nuclei. E’ ciò che avviene nei cosiddetti spettrometri di massa. In natura un nucleo non può contenere un numero qualsivoglia di neutroni. Troppi neutroni o troppo pochi rendono il nucleo instabile – Dopo il Ca (N=Z=20) al crescere di Z il numero dei neutroni, maggiore di quello dei protoni, cresce per raggiungere valori massimi di N/Z ≈ 1,5 per i nuclidi pesanti, quali l’uranio.

La stabilità del nucleo è misurata dall’energia di legame nucleare correlata alle forze nucleari, interagenti fra protoni e neutroni.

L’energia di legame si misura in elettronvolt (eV), essa varia con il numero di massa del nucleo, ed il suo valore medio, eccezion fatta per i nuclei più leggeri (A<20) e per i più pesanti (A>160), è compreso fra 8 e 9 megaelettronvolt (MeV), laddove l’energia di legame di natura elettrostatica fra l’elettrone ed il nucleo di un atomo o fra gli atomi di una molecola, è soltanto dell’ordine di pochi eV .

Da ciò la diversità fra le energie in gioco nelle reazioni chimiche ed in quelle nucleari.

Se infatti intervenendo sull’atomo, si riesce a passare da un nucleo con energia di legame inferiore ad uno con energia di legame superiore, si avrà dal processo un guadagno netto di energia. Su ciò si basano i processi nucleari della fissione dei nuclei pesanti, quali l’uranio e

della fusione dei nuclei leggeri quali l’idrogeno e i suoi isotopi, da cui possono scaturire enormi quantità di energia.

Quando l’energia di legame è esattamente quella che occorre per tenere ben legate tra di loro le particelle costituenti il nucleo, allora si dirà che questo è stabile; Se essa è sovrabbondante o insufficiente, il nucleo sarà instabile o radioattivo.

Per tale instabilità il nucleo tende ad un assetto stabile emettendo radiazioni elettromagnetiche o corpuscolari, se la sua energia di legame è sovrabbondante, assorbendole se è insufficiente. Tale processo di disintegrazione si chiama “decadimento radioattivo” e le radiazioni emesse costituiscono la radioattività. Oggi si conoscono circa trecento isotopi stabili ed un numero dieci volte più elevato di isotopi instabili.

di: Ernesto G. Ammerata

Nobel 2015 al sapor di neutrini

Qualche giorno fa, è stato assegnato il premio nobler per la fisica 2015 ad uno scienziato canadese ed uno giapponese, per il loro studio sul cambiamento di identità dei neutrini. Ai più, la parola neutrini non vorrà dire molto, ma queste particelle sono estramemente importanti nella struttura del modello standard, cioè quel momdello che cerca di descrivere tutte le leggi della natura. Bisogna sapere che i neutrini sono state spesso definite particelle fantasma, poichè sono particelle elusive, cioè di difficilissima rilevazione,basti pensare che un neutrino sarebbe capace di attraversare una lastra di piombo del diamentro dell’intero sistema solare.A causa di ciò i laboratori e gli strumenti per poterli rilevare sono stati costruiti nelle viscere della Terra fino a centinaia di metri sotto i nostri piedi.

Per studiare questo elusivo viaggiatore dello spazio, ci si è dovuti chiudere in miniera per eliminare il più possibile il rumore di fondo. L’elemento centrale di entrambi gli esperimenti, l’elemento con cui interagiscono gli sfuggenti neutrini, è nel caso del super-K un serbatoio alto 41,4 metri del diametro di 39,3 contenente 50mila tonnellate di acqua purissima, situato nella miniera di zincoMozumi, a 1000 metri di profondità.

Nobel per la fisica 2015

 

 

 

 

 

 

Takaaki Kajita e ad Arthur B. McDonald , Il primo, nato nel 1959, ha guidato il gruppo di ricerca Super-Kamiokande, nome completo Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment, per gli amici super-K, in Giappone; il secondo, nato nel 1943, ha coordinato il Sudbury Neutrino Observatory, per gli amici SNO, in Canada e hanno, avvalendosi di due esperimenti simili però diversi, scoperto l’oscillazione del neutrino. hanno dimostrato che i neutrini cambiano d’identità”, questa metamorfosi implica che i neutrini hanno massa. 

Per un approfondimento sull’argomento vi segnalo l’articolo completo sul mio blog scientifico: EGA BLOG

Ernesto

Fonte:EGA BLOG