Il Sole Domenica 22.11.15
Fisica sperimentale
Caldi elettroni quotidiani
di Vincenzo Fano

Quando appoggiamo i nostri piedi sul pavimento di solito non sprofondiamo. Sembra ovvio, ma fino a pochi decenni or sono non avevamo una buona spiegazione di questo fenomeno. Come mai il mondo macroscopico che ci circonda è così ricco di discontinuità, tipo appunto il pavimento rispetto all’aria che lo sovrasta? Molti, come Leibniz, hanno pensato che esso fosse costituito da particelle puntiformi che agiscono fra di loro, attraendosi all’interno di un solido e respingendosi fra solidi diversi, come la mia scarpa e il pavimento. Tuttavia questi corpuscoli inestesi nessuno li ha mai trovati. La materia, come voleva Descartes, sembra occupare sempre un luogo, anche se talora molto piccolo. In altre parole, il mondo microscopico è discontinuo, esattamente come quello macroscopico. Eh sì, la discontinuità non è poi così peregrina; come spesso si crede, basta guardarsi in giro. Il mondo è pieno di scalini, bordi, orli, margini e confini. A volte si sente dire che nei primi decenni del Novecento ci siamo resi conto che nel mondo microscopico capitano fenomeni molto diversi e incomprensibili per noi avvezzi a quello macroscopico. È vero; però occorre anche ricordare che la visione classica del mondo, tutt’altro che intuitiva, o negava la discontinuità, oppure la metteva al di fuori dello spazio e del tempo in qualcosa di simile alle monadi leibniziane (i punti materiali). Essa però si è rivelata solo una buona approssimazione. I microggetti, infatti, sono discontinui, esattamente come i macro.
In effetti il non sprofondare nel pavimento è un fatto quantistico, come ci ricorda Feynman, in una delle sue celebri Lezioni di fisica, dovuto anche al principio di indeterminazione, che impedisce agli elettroni (carichi negativamente) di collassare sui nuclei (carichi positivamente). Infatti la posizione e la velocità delle particelle hanno un limite di determinazione, per cui più che tanto, per così dire, non possono essere compresse. Si potrebbe anche affermare che la nostra incolumità dipende dal principio di esclusione di Pauli, secondo cui due elettroni non possono mai stare nello stesso stato, per cui, in un certo senso, si sovrappongono fino a formare la materia condensata della nostra quotidianità. I fenomeni quantistici, quindi, sono dappertutto, non solo nei grandi acceleratori.
L’ultima delle summenzionate Lezioni di Feynman è dedicata non a caso alla superconduttività. Se abbassiamo la temperatura di alcuni metalli vicino allo zero assoluto, la loro resistenza elettrica diventa nulla. Fenomeno importante per conoscere l’origine del mio mal di schiena, perché altrimenti quando sono dentro all’apparecchio della risonanza magnetica, il caldo sarebbe insopportabile. I campi magnetici intensi necessari per la diagnosi sono, infatti, spesso prodotti proprio da superconduttori, che, non offrendo resistenza, scaldano molto meno. La spiegazione matematica della superconduttività (1956) arriverà più di quaranta anni dopo la scoperta del fenomeno (1911) ed è uno dei risultati più belli di tutta la fisica teorica dell’ultimo secolo, come sostiene Chandrasekhar nello splendido libro Perché il vetro è trasparente (1999). Gli elettroni a temperature così basse si dispongono a coppie diventando per così dire “morbidi”, una specie di fluido, attraverso cui la corrente passa senza intralci. Basta però alzare un po’ la temperatura o accendere un campo magnetico sufficientemente intenso e questo effetto quantistico macroscopico sparisce. Tuttavia circa trenta anni fa si è scoperto che è possibile avere superconduttività a temperature anche molto più alte, fino quasi a cento gradi sotto la temperatura di fusione del ghiaccio. Ancora oggi non abbiamo una buona spiegazione di questo nuovo tipo di superconduttività.
Gaetano Campi, brillante fisico sperimentale del Cnr di Roma, assieme al suo gruppo ha scoperto che in questi superconduttori “caldi” gli elettroni si distribuiscono in modo frattale. Ovvero riempiono lo spazio in maniera solo parzialmente ordinata. Se prolunghiamo una retta essa copre lo spazio in modo unidimensionale, un cerchio si espande in modo bidimensionale e un cubo in modo tridimensionale. Per contro la distribuzione di densità di carica in alcune sostanze superconduttrici ad alta temperatura (i cuprati) è come una barriera corallina, che riempie lo spazio in modo frattale. Ciò significa che in questi casi gli elettroni si auto-organizzano in un qualche modo che deve ancora essere compreso. Spesso la ricerca italiana, nonostante la penuria di risorse, raggiunge livelli veramente alti. E non solo il fisico teorico, ma anche il filosofo della scienza sente l’esigenza di riflettere sui sorprendenti risultati sperimentali che emergono.
Gaetano Campi et Al, I nhomogeneity of charge-density-wave order and quenched disorder in a high-Tc-superconductor, Nature, 17 settembre 2015, pagg. 359-363