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Fisica

Ecco gli eccitoni, una nuova forma della materia

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L’avevano previsto già 50 anni fa ma nessuno lo aveva ancora trovato. Ora però, grazie a una tecnica innovativa, un team di ricercatori dell’Università dell’Illinois, insieme ai colleghi dell’Università della California e dell’Università di Amsterdam, annuncia dalle pagine di Science di aver prodotto la prima prova sperimentale della reale esistenza dell’eccitonio, uno strano stato della materia che potrebbe aiutare a risolvere alcuni rompicapo della meccanica quantistica.

“Da quando il termine ‘eccitonio‘ è stato coniato negli anni ’60 dal fisico teorico di Harvard Bert Halperin”, ha commentato Peter Abbamonte, fisico dell’Università dell’Illinois, “i fisici hanno cercato di dimostrare la sua esistenza. I [fisici] teorici discutevano se potesse essere un isolante, un conduttore perfetto o un superfluido, e c’erano argomentazioni convincenti su tutti i fronti. A partire dagli anni ’70, molti [fisici] sperimentali hanno pubblicato prove dell’esistenza dell’eccitonio, ma le loro scoperte non costituivano mai una prova definitiva e potevano anche essere spiegate da una transizione di fase strutturale convenzionale”.

Ma che cos’è l‘eccitonio? Gli esperti lo descrivono come il primo stato di plasma morbido mai osservato, precursore di un condensato di eccitoni, cioè delle quasi-particelle subatomiche composte da un elettrone eccitato e dalla sua lacuna. In pratica gli eccitoni sono un particolare tipo di bosonia bassa energia che si creano quando nei materiali semiconduttori un elettrone viene – appunto – eccitato e salta al livello energetico successivo, lasciando una lacuna nel livello energetico precedente.

 

La cosa affascinante è che la lacuna si comporta come una particella carica positivamente attraendo l’elettrone e formando questo strano accoppiamento quanto-meccanico

 

L’esistenza degli eccitoni era già stata teorizzata mezzo secolo fa, ma finora gli scienziati non erano riusciti a vederli sperimentalmente, o, per meglio dire, non potevano esserne sicuri perché disponevano di strumenti troppo poco precisi. La svolta è arrivata con l’introduzione della tecnica chiamata momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (M-Eels), grazie alla quale i ricercatori hanno potuto misurare la traiettoria degli elettroni in fuga indipendentemente dalla loro quantità di moto.

Ecco dunque l’eccitonio, la prova che ci eccitoni esistono davvero, che non si sa ancora bene cosa sia, ma adesso le sue proprietà potranno essere studiate in modo approfondito. I fisici sostengono che se si rivelasse un superconduttore o un superfluido certamente potrebbe essere utilizzato per un aggiornamento di tecnologie già esistenti, ma le sue potenzialitàsono al momento imprevedibili. Si spera infatti che porti anche a una maggiore comprensione dei fenomeni quantistici, dirimendo magari qualche rompicapo ancora irrisolto.





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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

Fisica

La Tesla di Musk nello spazio ha compiuto il primo giro attorno al Sole

L’auto è stata lanciata a febbraio a bordo di un razzo Falcon Heavy. Ha impiegato 550 giorni a compiere un giro completo e attualmente ha iniziato la sua seconda orbita

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Viaggia a quasi 121mila chilometri orari ed è quindi ufficialmente la più veloce automobile dell’universo. È equipaggiata con ogni i comfort, e attrezzata per affrontare qualunque imprevisto: nel cruscotto è custodito un asciugamano e sul quadro comandi spicca la scritta “Don’t panic”, ormai celebre frontespizio della Guida galattica per autostoppisti (ogni riferimento ai libri di Douglas Adams è puramente casuale). Ma non è tutto. Per la Tesla Roadster di Elon Musk e per il suo silenzioso pilota, il manichino “Starman”, è arrivato il momento delle celebrazioni: negli scorsi giorni hanno infatti completato il primo giro inaugurale attorno al Sole, in un viaggio che, a meno di imprevisti, dovrebbe vederli impegnati almeno per qualche altra decina di milioni di anni.

Il lancio dell’auto

Per i più smemorati può giovare un ripasso: parliamo della Tesla Roadsterdel 2008, che Musk ha deciso di lanciare nello spazio a febbraio dello scorso anno per celebrare il primo viaggio del suo Falcon Heavy, il razzo riutilizzabile di Space X progettato per trasportare equipaggi umani al di fuori della bassa orbita terrestre (più lontano, insomma, della Stazione spaziale internazionale). Per l’occasione, l’automobile elettrica della Tesla è stata trasformata in un’autentica arca, che custodisce un tesoretto di riferimenti alla cultura pop del nostro secolo, pensati in vista di un eventuale incontro ravvicinato con qualche specie aliena intelligente nel corso dei milioni di anni in cui continuerà ad orbitare attorno alla nostra stella.

Alla guida c’è un manichino vestito con una tuta spaziale di Space X, nello stereo (ormai scarico da molto tempo visto che la batteria dell’auto era progettata per durare non più di 12 ore) Space Oddity di David Bowieripetuta a loop, nel cruscotto una copia cartacea della Guida galattica per autostoppisti di Douglas, nel portabagagli una digitale della Trilogia della Fondazione di Asimov, e infine un messaggio inciso tra i circuiti del veicolo “Made on Earth by humans” (“Prodotta sulla Terra da esseri umani”).

La rotta

Come ci informa il sito whereisroadster.com, che traccia minuto per minuto il tragitto dell’automobile nello Spazio, la Roadster di Musk ha percorso oltre un miliardo e 231 milioni di chilometri nei 550 giorni trascorsi dal lancio. Abbastanza per percorrere 33 volte ogni singola strada presente sul nostro pianeta, e circa 21mila volte oltre delle 36mila miglia previste dalla garanzia della Tesla.

Quel che è certo è che i timori iniziali di un possibile impatto con Marte (con il conseguente rischio di contaminazione biologica del pianeta) si sono rivelati infondati. Nel suo primo giro attorno al Sole ha infatti superato indenne il pianeta rosso, e ora si trova a circa 147milioni di chilometri di distanza, dirigendosi nuovamente nella sua direzione a più di 40mila chilometri all’ora.

Di più, al momento, non è dato sapere. Da diverso tempo in effetti manca anche una conferma visiva delle condizioni della macchina. Un problema a cui però Musk promette di porre rimedio nei prossimi anni. In un tweet della scorsa domenica infatti il patron di Space X ha lasciato intendere che in futuro la sua compagnia potrebbe decidere di lanciare una missione per raggiungere, e fotografare, la Roadster al prossimo passaggio ravvicinato con il nostro pianeta, in modo da verificare le condizioni del veicolo e del suo pilota.

Secondo alcune previsioni, le gomme, la vernice, i componenti in plasticacuoio dell’automobile dovrebbero ormai essere stati quasi completamente distrutti. Le parti in fibra di carbonio potrebbero durare invece molto più a lungo, per arrendersi comunque prima o poi agli effetti delle radiazioni, lasciando infine uno scheletro di alluminiometalli inerti e vetro a continuare la sua corsa nello Spazio, prima di che la sua orbita lo porti a scontrarsi con la Terra (una probabilità del 6% nei prossimi 3 milioni di anni), con Venere (2,5%), o qualche altro corpo celeste.





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Ai teorici dell’inflazione cosmica la medaglia Dirac 2019 dell’ICTP

Il riconoscimento istituito dal Centro Internazionale di Fisica Teorica “Abdus Salam” di Trieste è andato a Viatcheslav Mukhanov, Alexei Starobinsky e Rashid Sunyaev

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La medaglia e il premio Dirac dell’ICTP di Trieste di quest’anno sono stati assegnati a tre fisici la cui ricerca ha avuto un profondo impatto sulla cosmologia moderna. Viatcheslav Mukhanov (della Ludwig Maximilian University di Monaco), Alexei Starobinsky (del Landau Institute for Theoretical Physics di Mosca) e Rashid Sunyaev (del Max Planck Institute for Astrophysics di Garching in Germania) condividono il riconoscimento per “il loro eccezionale contributo alla fisica della radiazione cosmica di fondo (CMB, dall’inglese “Cosmic Microwave Background”) con implicazioni, confermate dagli esperimenti, che hanno contribuito a trasformare la cosmologia in una disciplina scientifica precisa, combinando la fisica a scala microscopica con la struttura a grande scala dell’universo”.

Tutti e tre i vincitori hanno contribuito durante la loro carriera in maniera significativa alla comprensione dell’Universo primordiale nel contesto della teoria cosmologica dell’inflazione.

Il CMB è una debole radiazione cosmica di fondo che permea tutto lo spazio. Nel modello del Big Bang, il CMB è una radiazione elettromagnetica residua, originata in una fase iniziale dell’universo, che può essere rilevata con un radiotelescopio sufficientemente sensibile. Scoperta per caso nel 1964 da due radioastronomi, Arno Penzias e Robert Wilson, è una delle principali prove della teoria del Big Bang per l’origine dell’universo.

Secondo la teoria cosmologica dell’inflazione, l’universo ha subito un’espansione esponenziale in un tempo estremamente breve, da 10-36 secondi a 10-33 secondi circa dopo la singolarità del Big Bang, detto “epoca dell’inflazione”. A tale fase è seguita un’ulteriore espansione dell’universo, molto più lenta, che continua ancora oggi.

Alexei Starobinsky fu uno dei primi a proporre una teoria dell’inflazione verso la fine degli anni ’70 del secolo scorso che fu poi ulteriormente sviluppata negli anni seguenti, con importanti contributi dagli studi portati avanti da Viatcheslav Mukhanov e da altri negli anni ‘80. Rashid Sunyaev, inoltre, aveva predetto la presenza di picchi acustici nel CMB già negli anni ‘70 e ha poi contribuito largamente agli esperimenti che hanno testato questi modelli. La teoria dell’inflazione è tuttora considerata uno dei contributi più rilevanti all’astrofisica e alla cosmologia moderne poiché non solo spiega molte proprietà dell’universo come lo conosciamo, come ad esempio il fatto che sia uniforme e piatto, ma fornisce anche una teoria per le fluttuazioni primordiali, che nessun altro modello ha ancora spiegato. Nel quadro della relatività generale e della teoria quantistica dei campi, la teoria dell’inflazione descrive queste fluttuazioni come derivanti da effetti quantistici su scala microscopica che hanno effetti macroscopici su scala cosmica, visibili nella formazione della struttura a grande scala dell’universo.

Le previsioni teoriche derivate da questo modello sono state confermate da numerosi esperimenti e hanno contribuito notevolmente alla cosmologia moderna.

“I calcoli sulle perturbazioni della densità primordiale rappresentano uno dei traguardi più belli della fisica teorica, poiché forniscono informazioni importanti sulle nostre origini e lo fanno con uno spettacolare accordo con gli esperimenti”, ha spiegato il direttore dell’ICTP Fernando Quevedo. “Gli importanti contributi apportati a questo campo dai tre vincitori sono in linea con gli alti standard della medaglia Dirac”.

“Il valore del loro lavoro si misura non solo dalla precisione delle loro previsioni” ha aggiunto Ravi Sheth, Staff Associate all’ICTP, “ma anche dal profondo impatto che il loro lavoro – e loro stessi – hanno avuto su intere generazioni di cosmologi.”

Da sinistra verso destra: Mukhanov, Starobinsky, Sunayev

Chi sono i vincitori

Viatcheslav Mukhanov è noto per la teoria dell’origine quantistica della struttura dell’universo. Nel 1981, mentre lavorava nell’Istituto Lebedev di Mosca, Mukhanov, in collaborazione con Gennady Chibisov, ha scoperto il meccanismo per la generazione di perturbazioni scalari della metrica spazio-temporale in un modello di inflazione cosmica inizialmente proposto da Starobinsky. Numerosi esperimenti di misurazione delle fluttuazioni di temperatura del CMB hanno confermato poi la sua previsione teorica che galassie e ammassi di galassie derivino da fluttuazioni quantistiche iniziali. Nel 1985 ha sviluppato ulteriormente un rigoroso formalismo per descrivere le perturbazioni della densità in molti modelli inflazionistici.

Alexei Starobinsky è considerato, insieme ad Alan Guth e Andrei Linde, un pioniere e uno dei principali formalizzatori della teoria dell’inflazione cosmica. Nel 1979 predisse l’esistenza di onde gravitazionali come conseguenza di ciò che successivamente si sarebbe chiamato inflazione.
Starobinsky in seguito propose una specifica versione dell’inflazione cosmica, che è ancora la più perfettamente coerente con le attuali osservazioni. Ha inoltre scritto uno dei primi articoli in cui siano state calcolate le perturbazioni della densità in uno dei più promettenti modelli di inflazione, detto “modello di inflazione slow-roll”. Ha sviluppato infine il formalismo dell’inflazione “stocastica”, un modello di inflazione più realistico rispetto ai precedenti.

Rashid Sunyaev ha portato contributi rivoluzionari ai campi della cosmologia fisica e dell’astrofisica ad alta energia. Nel 1970 predisse, insieme a Yakov Zeldovich, l’esistenza di picchi acustici nel CMB. Questi possono essere visti come gli elementi di un pattern nel cielo del CMB che evidenziano la sua stessa disomogeneità. Hanno inoltre predetto la diminuzione della luminosità del CMB in direzione di densi ammassi di galassie, fenomeno ora noto come effetto Sunyaev-Zeldovich. Questa scoperta rende possibile l’uso degli ammassi di galassie come potente strumento di osservazione cosmologica. È infatti il migliore strumento che abbiamo ancora oggi per misurare l’abbondanza e il movimento degli ammassi di galassie più lontani.

Cos’è la medaglia Dirac

Assegnata per la prima volta nel 1985, la Medaglia Dirac dell’ICTP è nata in onore di P.A.M. Dirac, uno dei più grandi fisici del XX secolo e un fedele amico del Centro. Il premio viene assegnato ogni anno il giorno del compleanno di Dirac, l’8 agosto, a scienziati che hanno dato un contributo significativo alla fisica teorica. La cerimonia di premiazione, durante la quale i tre vincitori terranno dei seminari sul loro lavoro, avrà luogo entro la fine dell’anno.





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La più ampia mappa della Via Lattea in 3D

Il modello, basato su misurazioni dirette delle distanze di stelle variabili, arriva fino a circa 75.000 anni luce dal sistema solare e mostra la deformazione del disco galattico

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L'Osservatorio di Varsavia sullo sfondo della Via Lattea (K Ulaczyk/J Skorow/OGLE/Astronomical Observatory, University of Warsaw)

Il nostro posto tra le stelle non è mai stato così chiaro e ben definito, anche alla scala dimensionale più ampia: una collaborazione internazionale guidata da Dorota Skowron dell’Università di Varsavia, in Polonia, presenta su “Science” la più ampia mappa tridimensionale della Via Lattea mai realizzata finora. Il risultato conferma che il disco galattico non è piatto, ma appare deformato già a partire da metà circa del suo raggio e si deforma sempre di più procedendo verso i bordi.

Il metodo usato da Skowron e colleghi è basato sull’osservazione delle variabili Cefeidi, stelle pulsanti che cambiano la loro luminosità con un periodo variabile tra 1 e 100 giorni. Si tratta di stelle fondamentali in astronomia perché misurandone la luminosità apparente è possibile determinarne la distanza con un’accuratezza inferiore al 5 per cento.

Il profilo del disco galattico, secondo il modello di Skowron e colleghi: sono visibili i bordi deformati (J Skowron/OGLE/Astronomical Observatory, University of Warsaw)


Il dato fondamentale che ha aperto la strada alla mappa è che il numero di variabili Cefeidi note della galassia è doppio rispetto a pochi anni fa grazie ai risultati della quarta fase del progetto OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), un vasto censimento delle stelle variabili che si trovano nel disco galattico e nel centro galattico. Skowron e colleghi ne hanno analizzate 243, molte delle quali sono proprio sul bordo della galassia, determinadone la distanza. Hanno realizzato così un modello tridimensionale della Via Lattea, arrivando fino a circa 75.000 anni luce di distanza dal sistema solare e coprendo così la maggior parte della galassia.

Da questa mappa emergono la forma a “S” della Via Lattea – o, in termini più scientifici, a spirale barrata – nota fin dagli anni cinquanta, e il disco stellare con gli estremi ricurvi in versi opposti, a partire da 25.000 anni luce dal nucleo centrale, come già dedotto da altri studi astronomici.

Gli autori sottolineano tuttavia che è la prima volta che queste informazioni vengono ricavate con misurazioni dirette di distanze di singole stelle, e non mancano le novità: la deformazione è molto più pronunciata del previsto. Secondo i ricercatori, è stata causata dall’interazione gravitazionale con galassie vicine (come le Nubi di Magellano), con il mezzo interstellare di polveri e gas o con la materia oscura, la misteriosa essenza dell’universo che non si può osservare direttamente ma fa sentire la sua presenza attraverso gli effetti gravitazionali.

Completata la mappa, gli autori pensano già di renderla più particolareggiata. I prossimi sforzi di ricerca saranno perciò dedicati a un’altra categoria di stelle pulsanti, le RR Lyrae. Presenti nella galassia da molto più tempo delle Cefeidi, potranno fornire dati sulla parte più antica della galassia e sulla sua evoluzione.





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