La fase "supersolida" realizzata per la prima volta in una piattaforma semiconduttore: il contributo dei ricercatori dell'Università di Pavia

Una stretta collaborazione tra l’Università di Pavia, l'Istituto Nazionale di Ottica (INO) del CNR di Trento e l’Istituto di Nanotecnologie (NANOTEC) del CNR di Lecce ha condotto alla prima realizzazione sperimentale di uno stato "supersolido" ottenuto in una guida d’onda a semiconduttore, nell'ambito di un lavoro internazionale che ha coinvolto anche l'Università di Innsbruck, l'Università di Princeton e il Lawrence National Laboratory di Berkeley.

Il risultato scientifico è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista «Nature», in uscita a stampa sul fascicolo del 13 marzo 2025, e annovera tra i coautori due ricercatori pavesi afferenti al Dipartimento di Fisica "Alessandro Volta", Davide Nigro e Dario Gerace, che hanno fornito un contribuito determinante nel formulare una chiara interpretazione fisica dei risultati sperimentali ottenuti dai collaboratori leccesi. 

I dettagli teorici di questa ricerca, coordinati proprio dai ricercatori pavesi, sono stati appena pubblicati sulla rivista «Physical Review Letters».

Ma che cosa si intende per stato "supersolido", e come possiamo immaginarlo? 

«Nella nostra vita quotidiana - spiega Davide Nigro - siamo abituati a osservare la materia principalmente in tre fasi distinte: gassosa, liquida e solida. Tuttavia, quando la materia viene raffreddata vicino allo zero assoluto, la natura degli atomi che la costituiscono deve necessariamente essere descritta da leggi fisiche compatibili con la Meccanica Quantistica, che spiegano come sia possibile ottenere fasi della materia con proprietà totalmente fuori dall’ordinario. Una di tali fasi è, appunto, quella cosiddetta di supersolido, un particolare stato della materia che combina le caratteristiche di un superfluido (cioè un liquido capace di scorrere in un condotto o su una superficie senza attrito) con alcune caratteristiche dei solidi, cioè la presenza di un ordinamento periodico nel sistema del tutto simile a ciò che si osserva nei reticoli cristallini».

«Potremmo immaginare questo stato come quello di un fluido ideale costituito da tante goccioline», sostiene Dario Gerace, ordinario di Fisica teorica della materia presso il Dipartimento di Fisica UniPv, «che, grazie alla loro peculiare coerenza quantistica, sono in grado di scorrere attraverso un ostacolo senza subire perturbazioni, in particolare mantenendo inalterata la loro disposizione spaziale e reciproca distanza, come avviene, appunto, in un solido cristallino». 

Sebbene questa fase della materia sia stata teorizzata più di 50 anni fa, il risultato a cui hanno contribuito i due ricercatori pavesi costituisce la prima realizzazione della fase supersolida in una piattaforma a semiconduttore, un contesto totalmente differente dai sistemi di atomi freddi in cui la supersolidità è stata prevalentemente osservata nell’ultimo decennio. 

Nel dettaglio, questa realizzazione sperimentale è stata ottenuta facendo comportare la luce che si inietta nella nanostruttura di semiconduttore come se fosse un fluido, e su questa si è poi indotta la transizione a supersolido.

«Un aspetto ulteriormente intrigante di questa scoperta», afferma Nigro, «è che le eccitazioni della materia che danno luogo allo stato supersolido sono fotoni che interagiscono con stati elettronici eccitati del semiconduttore, e non hanno nulla a che vedere con gli atomi che li costituiscono».

In definitiva, questa scoperta evidenzia ancora una volta come le nanostrutture a stato solido siano un banco di prova ideale, e per certi versi inaspettato, per l’esplorazione degli stati più esotici della materia condensata, in aggiunta ai possibili risvolti applicativi a dispositivi emettitori di luce con caratteristiche uniche.