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Ecco il monopolo magnetico fatto in casa

Creato in laboratorio un sistema quantistico che simula il comportamento di un monopolo magnetico. Un esempio di quantum simulation che sarà utile per studiare la particella teorizzata da Dirac nel 1931, ma che ancora non è stata osservata sperimentalmente
Se la bussola ci ha insegnato qualcosa, questa è che un ago magnetico, e come lui tutte le calamite, possiede due poli magnetici: un polo nord e un polo sud. Leggendo i libri di fisica al liceo abbiamo poi imparato che i poli magnetici non possono essere separati: spezzando una calamita in due, ci si ritrova infatti con due calamite figlie identiche alla calamita madre, ciascuna, cioè, con un polo nord e un polo sud. E la divisione delle calamite potrebbe continuare ancora e ancora, senza però che si riesca in alcun modo a ottenere quello che viene chiamato monopolo magnetico, una specie di calamita che si comporta come se avesse o solo un polo nord o solo un polo sud. Eppure, nel lontano 1931, il fisico teorico inglese Paul Dirac, uno dei padri della meccanica quantistica, predisse proprio l’esistenza dei monopoli magnetici. Per via delle ricadute teoriche e sperimentali che la loro scoperta avrebbe su molti fenomeni quantistici, diversi sono stati gli esperimenti che negli ultimi anni hanno dato la caccia a queste fantomatiche particelle, purtroppo senza successo. Dalle pagine dell’ultimo numero di Nature è appena emerso uno studio che sembra invece gettare nuova luce su questo ambito di ricerca così particolare. Un gruppo di scienziati guidati da David Hall, dell’Amherst College, in Massachusetts, ha infatti creato in laboratorio un sistema quantistico a base di atomi di rubidio in grado di simulare il comportamento di un monopolo magnetico.
Nel disegno il modello del sistema quantistico che si comporta come un monopolo magnetico: in particolare si tratta della simulazione di un monopolo magnetico nord, come si può osservare dalle linee di campo uscenti dal polo centrale isolato (immagine: Ray, M. W., Ruokokoski, E., Kandel, S., Möttönen, M. & Hall, D. S. Nature 505, 657–660(2014))
Come si può immaginare, l’impresa degli uomini di Hall non è solo difficile da compiere, ma anche da raccontare. Semplificando molto le cose, la ricetta del gruppo statunitense è costituita da due fasi: nella prima fase gli atomi di rubidio (circa un milione) vengono portati a una temperatura di qualche miliardesimo di grado superiore allo zero assoluto, realizzando quello che si chiama condensato di Bose-Einsten (in questo caso di atomi di rubidio), cioè uno stato quantistico in cui gli atomi mostrano particolari comportamenti collettivi; nella seconda fase questo condensato viene letteralmente centrifugato, fino a quando gli spin degli atomi assumono una configurazione che simula l’orientamento spaziale del campo magnetico di un monopolo (che si può osservare nel disegno precedente). È bene sottolineare subito che gli scienziati statunitensi non hanno creato un vero monopolo; il loro centrifugato quantistico non genera nello spazio circostante un campo magnetico: per intenderci, una calamita microscopica posta nelle sue vicinanze non risentirebbe di alcuna forza. Quello che Hall e colleghi hanno prodotto è invece un sistema quantistico che si comporta come se fosse un monopolo magnetico, obbedendo cioè alle equazioni previste da Dirac per i veri monopoli magnetici, che però in natura non sono stati ancora osservati in maniera isolata.
Nella riga più in alto si possono osservare le immagini della sezione del condensato di atomi di rubidio contraddistinta da una nube atomica che si estende verso l'esterno rispetto al centro, dove è confinato il monopolo di Dirac. Nella riga in basso, la descrizione del sistema in una simulazione realizzata al computer (immagine: Ray, M. W., Ruokokoski, E., Kandel, S., Möttönen, M. & Hall, D. S. Nature 505, 657–660(2014))
Il lavoro pubblicato su Nature è un esempio della cosiddetta quantum simulation, un campo di ricerca crescente nel quale si utilizza un sistema quantistico per modellarne uno che è più difficile da studiare in natura. Nel 2009, per esempio, un gruppo di fisici aveva osservato in un materiale cristallino chiamato «ghiaccio di spin» strutture atomiche assimilabili a monopoli magnetici: in quel caso però non era stato possibile studiarli individualmente, cioè come se fossero autentiche particelle isolate. Il sistema quantistico creato da Hall e colleghi rappresenta così una palestra per studiare come si comporterebbe un vero monopolo magnetico, una particella che gli scienziati hanno cercato di rivelare non solo negli esperimenti con gli acceleratori, ma perfino nelle rocce e nei campioni di materiale lunare. E come ha affermato S. Möttönen, coautore dello studio, «anche se il nostro lavoro non ci consente ancora di provare che Dirac avesse ragione, ci lascia intendere che i monopoli magnetici dovrebbero realmente esistere».
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