Il mistero che tormenta i fisici da oltre un secolo
Immaginate di far girare veloce una ruota di bicicletta: sembra quasi che abbia una volontà propria. Quel comportamento dipende da una grandezza fondamentale della fisica: il momento angolare. Nel 1915 Einstein e de Haas dimostrarono che magnetismo e rotazione sono legati in modo profondo, ma nessuno aveva mai osservato come questo momento angolare si muova davvero dentro un cristallo, atomo per atomo.
Finora era solo una teoria. Ora è diventata un film.
Laser capaci di far danzare gli atomi
Un gruppo di ricerca internazionale è riuscito a “fotografare” il momento angolare in movimento usando impulsi laser ultraveloci nel range dei terahertz. Il trucco: un primo impulso fa vibrare gli atomi in cerchio, il secondo arriva un istante dopo e cattura come quella rotazione si propaga ai vicini. In pratica, hanno dato un colpetto al cristallo e hanno visto l’onda di rotazione diffondersi in tempo reale.
Il paradosso: il senso di rotazione si inverte
Il risultato più sorprendente? Quando il momento angolare passa da una vibrazione all’altra, inverte la direzione. Come se lanciaste un frisbee che gira in senso orario e questo arrivasse all’altro giocatore che gira in senso antiorario. Impossibile? Non in certi cristalli.
La spiegazione sta nella simmetria del materiale: in alcuni reticoli cristallini, rotazione oraria e antioraria sono due facce della stessa medaglia. Quando il momento angolare salta tra questi due stati equivalenti, il cambio di “etichetta” appare come un’inversione.
1 + 1 = –1: la fisica che sfida l’aritmetica
Nel caso del seleniuro di bismuto usato nell’esperimento, due unità di momento angolare si sommano e producono una rotazione singola, ma in senso opposto e con velocità doppia. I ricercatori parlano di un processo “Umklapp”, già noto in altri campi della fisica, ma mai visto direttamente con il momento angolare del reticolo.
A cosa serve tutto questo?
Capire questi meccanismi apre la strada a materiali quantistici più efficienti e a modi nuovi di controllare processi ultraveloci. Le ricadute potrebbero arrivare ai computer quantistici, alle memorie di nuova generazione o a tecnologie ancora da inventare.
Ma c’è anche un piacere più semplice: vedere le simmetrie della natura all’opera. Come ha detto una delle ricercatrici, Olga Minakova: «È straordinariamente elegante come le leggi fisiche siano dettate direttamente dalle simmetrie della natura».
In sintesi
Dopo cento anni di calcoli, i fisici hanno finalmente osservato il momento angolare muoversi dentro la materia solida. E l’hanno visto comportarsi proprio come previsto… con un piccolo colpo di scena che rende la storia ancora più bella.