È di questi giorni la pubblicazione su Nature Physics di uno studio che conferma in modo sperimentale, e per la prima volta quantitativo, il meccanismo di Kibble-Zurek, cioè la formazione spontanea di “difetti” nei sistemi fisici che attraversano una rapida transizione di fase, un passaggio di stato della materia. Si tratta di disomogeneità nella distribuzione della materia, dovute alla rottura spontanea della simmetria che sta alla base delle transizioni di fase. 

Fino a questo momento erano state rilevate solo evidenze indirette, attraverso lo studio di particolari strutture di superconduttori e di elio superfluido. La ricerca è stata condotta dal nuovo laboratorio del Centro Bec, iniziativa congiunta tra Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche e dipartimento di fisica dell'università di Trento. 

Introdotto originariamente in cosmologia, il meccanismo di Kibble-Zurek interessa diversi ambiti della natura e può essere applicato a un’ampia varietà di sistemi fisici, a transizioni di fase sia nell’ambito della meccanica classica che quantistica.

Le transizioni di fase sono fenomeni che si osservano facilmente in natura e presenti in varie forme e ambiti della natura, dalla cosmologia alla fisica atomica, dal magnetismo alla fisica dei cristalli liquidi. Ne sono un esempio il ghiaccio che si scioglie sotto il sole o alle pozzanghere che gelano nelle notti più fredde, transizione tra acqua e ghiaccio al variare della temperatura. 

“La prima, celebre transizione di fase della storia fu il big bang - spiega Gabriele Ferrari, uno degli autori della ricerca – la cui dinamica fu descritta per la prima volta dal fisico Tom Kibble”. A seguito di questa esplosione primordiale l'Universo si sarebbe rapidamente espanso cambiando profondamente le condizioni di densità e temperatura e attraversando le temperature critiche che distinguono i diversi stati della materia. Kibble allora ipotizzava che il rapido passaggio attraverso una transizioni di fase avrebbe dato origine a dei “difetti” con un ruolo importante nell’evoluzione dell’universo. 

Quella proposta da Kibble nel 1976 era una teoria affascinante ma, allo stesso tempo, si prestava difficilmente a dimostrazioni sperimentali. Si deve al fisico Wojciech H. Zurek, quasi dieci anni più tardi, l’intuizione che lo stesso tipo di generazione spontanea di difetti poteva manifestarsi in sistemi fisici riproducibili in laboratorio in condizioni meno estreme rispetto al big bang. 

Se queste sono le premesse, oggi dunque si aggiunge un tassello alla storia. Il gruppo di ricerca è infatti riuscito a osservare in modo diretto e quantitativo i difetti che si formano in una transizione di fase di un gas di atomi ultrafreddi. 

“Nel nostro lavoro – sottolinea Giacomo Lamporesi del gruppo di ricerca – abbiamo osservato i difetti causati dal meccanismo di Kibble-Zurek durante il raffreddamento di atomi di sodio a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 gradi centigradi), nel passaggio dal normale stato gassoso a uno stato puramente quantistico della materia detto condensato di Bose-Einstein”. Se il passaggio è fatto in modo veloce, il condensato si sviluppa in zone diverse e indipendenti del gas, come isole di un arcipelago in cui si parlano lingue diverse. “Il nostro gruppo – continua – ha potuto osservare direttamente i confini tra queste isole microscopiche, detti ‘solitoni’ nel gergo della meccanica quantistica. Le nostre osservazioni potrebbero contribuire a fornire una migliore comprensione delle transizioni di fase della materia e nuovi indizi sulla storia dell'origine dell'Universo”.

Tali difetti, disomogeneità nella distribuzione della materia, sono dovuti allo sviluppo di zone con parametri d’ordine indipendenti, in cui le molecole non si distribuiscono secondo le forme prestabilite a causa della rottura spontanea della simmetria che sta alla base delle transizioni di fase.