L’ultima scoperta su un particolare comportamento dei fotoni potrebbe ricordare la lightsaber di Star Wars: ma è un problema di comunicazione

L’ultima scoperta su un particolare comportamento dei fotoni potrebbe ricordare la lightsaber della saga cinematografica “Star Wars”, ma è un problema tutto di divulgazione, di esposizione.

Come sempre accade nel campo della fisica quantistica, la questione è molto più complicata, ed è parte dell’attuale problema della divulgazione scientifica che, pur di  attirare la curiosità del pubblico, tende spesso a distorcere le notizie, e non soltanto nei titoli.

L’articolo in questione, un paper scientifico “peer-rewied” – ovvero “rivisto fra pari”, la cui validità, qualità e originalità viene valutata da uno o più competenti in materia – è stato pubblicato il 5 marzo 2025 sulla rivista scientifica “Nature” (“Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates”).

Fra i suoi autori ha diversi ricercatori italiani, che per la maggior parte collaborano con il CNR Nanotec – Institute of Nanotechnology di Lecce, ma anche con il Dipartimento di fisica dell’Università di Pavia, con quello dell’Università di Trento, con l’Institut für Experimentalphysik und Zentrum für Quantenphysik dell’Università di Innsbruck (Austria), e con il Lawrence Berkeley National Laboratory di Berkeley (California).

Occorre innanzitutto chiarire l’ambito di cui stiamo parlando: gli stati cosiddeti “esotici” della materia, lontanissimi dalla nostra esperienza di tutti i giorni. Spesso necessitano di condizioni estreme, come la temperatura vicina allo zero assoluto.

Inoltre, occorre premettere che si tratta di una ricerca effettuata nell’ambito della fotonica, una branca avanzata dell’ottica che, insieme alla meccanica quantistica, studia il modo di controllare la propagazione dei singoli fotoni e che sta facendo dei grandi balzi in avanti a livello di ricerca e di applicazioni.

Parliamo di luce che si muove liberamente nello spazio?

Parliamo di luce che si muove liberamente nello spazio? Assolutamente no.
Fra le immagini diffuse in questi giorni mi ha colpito quella sopra riportata, creata evidentemente con l’Intelligenza Artificiale, che rappresenta una sorta di “fulmine” tridimensionale e simmetrico di luce cristallizzata, quasi come se i fisici fossero riusciti a congelare un attimo di tempo.
Bella, poetica e totalmente sbagliata.

La divulgazione scientifica può in alcuni casi usare delle metafore per spiegare a livello intuitivo un concetto difficile, ma non dovrebbe mai distorcerlo.
L’esperimento in questione ha utilizzato un condensato di Bose-Einstein, uno stato esotico della materia appunto, dove certi comportamenti che in genere sono relegati nel mondo quantistico si presentano anche a livello microscopico. Ma in laboratorio, a delle temperature bassissime, in un ambiente ultra-controllato.

E non si utilizzano fotoni liberi, come quelli che arrivano dalle stelle, compreso il nostro sole.
In realtà stiamo parlando di polaritoni, che sono delle quasiparticelle.

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Che cos’è una quasiparticella?

Non si tratta di una “vera” particella come quelle che conosciamo – fra l’altro il concetto stesso di particella sta venendo messo in discussione dei fisici, ma ne parleremo un’altra volta – bensì è il risultato di una interazione particolare in particolari condizioni, che si comporta “quasi” come una particella ma con delle caratteristiche speciali.

Le quasiparticelle fanno parte della nostra vita di tutti i giorni, anche se non ne siamo consapevoli: i semiconduttori alla base di tutti gli apparecchi digitali funzionano grazie a fenomeni quantistici legati a tale concetto.

Quando un elettrone viene eccitato dalla “banda di valenza” (lo stato orbitale in cui si trova normalmente) alla “banda di conduzione” (lo stato orbitale superiore, che permette la conducibilità elettrica) lascia una cosiddetta “lacuna”, che si comporta come un elettrone caricato positivamente.
Il rapporto fra lacuna ed elettrone crea una quasiparticella detta eccitone, cruciale per i fenomeni ottici nei semiconduttori, come l’assorbimento ed emissione di luce nei LED.
Ma è soltanto un esempio.

Elio superfluido: il momento della transizione di fase

Che cos’è un superfluido?

Un superfluido è un fluido in cui si riesce a portare la viscosità a zero, in modo che le sue particelle circolino liberamente e senza alcun attrito. I condensati di Bose-Einstein sono dei superfluidi.

Introduciamo adesso, sempre in modo divulgativo, il concetto di guida d’onda. Nei superfulidi una “guida d’onda” è una qualunque struttura in cui le onde di densità sono confinate e trasportate in una determinata direzione. In questo esperimento la guida d’onda era un cristallo, dove si sono create delle quasiparticelle formate dall’insieme di elettrone e fotone continuamente interagenti, detti appunto polaritoni.

In particolari zone del cristallo i fotoni, legati all’interno dei polaritoni, hanno presentato un ordine periodico, una disposizione regolare, come avviene nei solidi cristallini.
Ma non dovete immaginarli fermi, tipo palline. Il fenomeno è ottenuto grazie a un continuo bombardamento di luce sul cristallo, e i fotoni sono sempre nuovi, pur continuando a presentare la disposizione ordinata di cui sopra. Si è creato così uno stato particolare della materia detto supersolido.

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Che cos’è un supersolido?

Un ultimo sforzo d’intuizione, legato alla condizione di “super solido”.

Quando un superfluido in particolari condizioni presenta delle regolarità spaziali che possono ricordare il reticolo di un cristallo, si parla di supersolido, dove alcuni punti di maggiore densità si dispongono secondo uno schema regolare nelle tre dimensioni. Chiaramente un supersolido non ha niente a che fare con la concezione di “oggetto solido” che noi viviamo nella realtà di tutti i giorni.

Questa sorta di “transizione di fase” dei fotoni in supersolido è il punto cruciale dell’articolo; in passato si era cercato di “forzare” queste disposizioni particolari, ma in questo caso l’ordine è emerso, per la prima volta, in modo spontaneo. Quello che in fisica si definisce fenomeno emergente.

Ora mettiamo insieme il tutto

Adesso che, almeno a livello intuitivo, abbiamo compreso i diversi elementi dell’esperimento descritto nell’articolo su “Nature”, possiamo cercare di comprendere che cosa effettivamente i ricercatori sono riusciti a compiere.

Sono riusciti a creare uno stato particolare di ordine in un superfluido, ordine che come vedremo potrebbe avere diverse future applicazioni molto interessanti.

Ed è importante anche perché dimostra che siamo sempre più in grado di controllare i fenomeni ottici, migliorando in precisione ed efficienza.

La possibili applicazioni future

La fotonica sarà sempre più importante nei device del futuro.

La luce, se ben controllata come oggi l’elettronica riesce a fare con gli elettroni, è molto più rapida e permette consumi energetici sensibilmente inferiori. Questo esperimento potrebbe portare alla costruzione di interruttori ottici ultraveloci, di filtri e di modulatori basati su fenomeni di supersolidità.
L’uso di polaritoni in guide d’onda permette già oggi una maggiore efficienza nel controllo e nella propagazione dei segnali ottici.

Il sistema potrebbe essere utilizzato per simulare fenomeni di materia condensata, come la dinamica delle onde di densità nei supersolidi atomici. Potrebbe inoltre consentire lo studio di nuovi stati quantistici della materia.
La capacità di misurare con precisione la coerenza e la modulazione della densità potrebbe portare a nuove tecniche di imaging quantistico, migliorando la sensibilità di dispositivi ottici e sensori di precisione. Oltre a nuovi strumenti teorici e sperimentali per comprendere fenomeni di materia esotica, come quelli presenti nelle stelle di neutroni o nei sistemi cosmologici.

L’implementazione di supersolidità in un sistema di polaritoni suggerisce possibilità per nuovi qubit ottici o sistemi per la computazione quantistica. I computer quantistici sono considerati il futuro più promettente per superare di molto le già potentissime capacità di calcolo attuali.

Infine, le proprietà emergenti di ordine a lungo raggio potrebbero essere sfruttate in reti neurali quantistiche e nella computazione neuromorfica, un approccio all’elaborazione dell’informazione ispirato alla struttura e al funzionamento del cervello umano.
L’obiettivo è realizzare sistemi hardware e algoritmi che mimano il comportamento dei neuroni e delle sinapsi, rendendo i calcoli più efficienti dal punto di vista energetico e più adatti a compiti di apprendimento e riconoscimento. Quindi, migliorando sensibilmente le prestazioni delle attuali Intelligenze Artificiali.

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Il dilemma della divulgazione scientifica

Abbiamo quindi un ulteriore esempio del cosiddetto dilemma della divulgazione. Fino a quanto possiamo semplificare gli argomenti più complessi ed esotici della ricerca, per renderli comprensibili ai non addetti ai lavori, senza per questo distorcerli perdendo ogni solidità scientifica?

Nel mio piccolo cerco sempre di essere il più corretto possibile, soprattutto quando l’argomento è complesso come in questo caso. Il che ovviamente richiede un certo impegno da parte del lettore oltre che da parte del divulgatore; una sorta di collaborazione implicita.
Forse è proprio qui il problema: si tende a non avere più fiducia nel lettore, livellando tutto verso il basso. Un po’ come fanno gli sceneggiatori cinematografici dei blockbuster hollywoodiani. Dall’altra parte, talvolta si pretende un livello di semplificazione che proprio non è possibile ottenere per dati argomenti.

Fra l’altro, fare divulgazione sulle piattaforme social è diventato estremamente difficile: ogni volta compaiono centinaia, se non migliaia, di commenti di quelli che personalmente definisco “Piccioni Ridenti” (Penitus Ridens Columba). Sono persone che hanno preparazione pari a zero negli argomenti trattati, ma pretendono di discuterne come esperti, ne ridicolizzano i risultati o addirittura mettono in dubbio con tracotanza la stessa esistenza di specifiche tecnologie. Il fattore comune che lega queste persone è il pensiero

“ciò che non capisco, non esiste”.

La questione potrebbe a mio vedere essere risolta in buona parte solo se riuscissimo a ricucire il rapporto di fiducia fra chi scrive (noi giornalisti, editorialisti e divulgatori) e chi ci legge. Se Innovando News ci stia riuscendo o meno, tocca a voi dirlo.