Quasi alla temperatura più fredda possibile - il mercurio (con l'aiuto di elio liquido) - forma uno stato chiamato superconduttività. All'estremo, gli elettroni scorrono liberi attraverso ciò che è noto come superfluido. Ma i come ei perché del comportamento superfluido sfidavano ogni spiegazione. Fino ad ora…
Quando portato a pochi gradi dallo zero assoluto sulla scala Kelvin (meno 273 Celsius o meno 460 Fahrenheit), l'elio-4 liquido si trasforma nello straordinario stato superfluido. Si agita, si arriccia e la sua mancanza di corpo ha sconcertato gli scienziati per quasi un secolo. Ora un team guidato da un fisico dell'Università di Washington, utilizzando il più potente supercomputer disponibile per la scienza aperta, ha elaborato un quadro teorico che spiega il comportamento in tempo reale del superfluido. Chi è il responsabile qui? Prova particelle subatomiche chiamate fermioni.
I femions sono una parte molto importante dell'equazione naturale come elettroni, protoni e neutroni... proprio come i superfluidi fanno parte delle stelle di neutroni. Ruotando da una a 1.000 volte al secondo, la superficie superfluida delle stelle di neutroni – o pulsar – agisce in modo molto diverso rispetto alla sua controparte qui sulla Terra. All'aumentare della velocità, forma una serie di piccoli vortici che si raggruppano in uno schema triangolare... che a sua volta forma una treccia all'interno della struttura superfluida. 'Quando raggiungi la velocità corretta, creerai un vortice nel mezzo', ha detto Bulgac. “E aumentando la velocità, aumenterai il numero di vortici. Ma avviene sempre per gradi”.
La scienza può ricrearlo? Sì. I modelli di laboratorio che utilizzano una camera a vuoto e un raggio laser per creare un campo elettrico ad alta intensità sono riusciti a raffreddare un piccolo campione, forse 1 milione di atomi, a temperature vicine allo zero assoluto. Quindi viene utilizzato un 'cucchiaio laser' per mescolare il superfluido abbastanza velocemente da creare vortici.
'Nel cercare di capire lo strano comportamento, gli scienziati hanno tentato di ideare equazioni descrittive, come quelle che potrebbero usare per descrivere l'azione vorticosa in una tazza di caffè mentre viene mescolata'. ha detto Bulgac. “Ma per descrivere l'azione in un superfluido fatto di fermioni, è necessario un numero quasi illimitato di equazioni. Ciascuno descrive cosa succede se viene modificata solo una variabile, come velocità, temperatura o densità. Perché le variabili sono collegate, se una cambia cambiano anche le altre».
Una delle principali sfide nella formulazione di un'ipotesi matematica è la quantità di potenza di calcolo necessaria per risolvere un problema con un numero di modifiche variabili che ha raggiunto 1 trilione o più. Dunque come l'hanno fatto? Il team ha utilizzato il computer JaguarPF presso l'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee, uno dei più grandi supercomputer del mondo, per l'equivalente di 70 milioni di ore, che richiederebbero quasi 8.000 anni su un personal computer single-core (JaguarPF ha quasi un quarto -milioni di core). Prova solo a raffreddarlo!
'Questo ti dice la complessità di questi calcoli e quanto sia difficile', ha detto Bulgac. Per rendere le cose ancora più complesse, più velocemente il superfluido viene mescolato fa perdere le sue proprietà, ma non così velocemente come ipotizzato. 'Il lavoro significa che i ricercatori possono 'in una certa misura' studiare le proprietà di una stella di neutroni usando simulazioni al computer'. ha detto Bulgac. 'Apre anche nuove direzioni di ricerca nella fisica degli atomi freddi'.
E più compiti da parte nostra.
Fonte della storia originale: Università di Washington .