Oltre a solido, liquido e gas: gli altri 15 stati della materia che sfidano la realtà

Dai cristalli liquidi alle fasi chiamate "ghiaccio e fuoco", la fisica rivela un insolito catalogo di stati della materia che potrebbero trasformare la tecnologia del futuro.

In classe la materia viene solitamente classificata in tre categorie: solido, liquido e gas. Talvolta si aggiunge il plasma, presente nei fulmini o nel Sole.

Ma al di fuori dei manuali scolastici esiste un universo nascosto: più di quindici stati della materia riconosciuti dalla fisica moderna.

Cile e Stati Uniti sono teatro di alcune di queste scoperte recenti. Dai cristalli liquidi studiati a Santiago fino agli elettroni che si organizzano come “ghiaccio e fuoco” a New York, la materia continua a dimostrare che non è vincolata alle regole che credevamo fisse.

Quello che crediamo di conoscere non basta

A Santiago, un team dell’Università del Cile (U. de Chile) e dell’Istituto Milenio di Ottica è riuscito a indurre un nuovo stato manipolando cristalli liquidi con tensione elettrica e luce.

“Le possibilità sono enormi, siamo all’inizio di qualcosa che potrebbe essere completamente diverso”.

Marcel Clerc, ricercatore dell’U. del Cile.

Dall’altra parte del continente, al Brookhaven National Laboratory, i ricercatori hanno identificato una fase chiamata “half ice, half fire” (metà ghiaccio, metà fuoco).

La descrivono come elettroni che si comportano in parte in modo ordinato, come se fossero congelati, e in parte in completo disordine, come se bruciassero.

Secondo il fisico Weiguo Yin, comprendere questo fenomeno “potrebbe portare a grandi progressi in tecnologie come il calcolo quantistico e lo spintronics”.

Un catalogo che continua a crescere

La fisica della materia condensata ha identificato almeno 18 stati distinti. Ecco una selezione dei più rilevanti e curiosi, spiegati in modo semplice:

Condensato di Bose-Einstein: atomi a temperature vicine allo zero assoluto che agiscono come un “super-atomo” unico.
Condensato di Fermi: simile al Bose-Einstein, ma con particelle chiamate fermioni.
Superfluido: liquidi che scorrono senza attrito, capaci di arrampicarsi lungo le pareti di un contenitore.
Superconduttore: materiali che conducono elettricità senza resistenza.
Cristalli liquidi: usati negli schermi, con proprietà intermedie tra liquidi e solidi.
Cristalli temporali: strutture che ripetono il loro schema non solo nello spazio, ma anche nel tempo.
Plasma di quark e gluoni: una zuppa di particelle fondamentali, simile all’universo primordiale dopo il Big Bang.
Materia degenerata di elettroni: presente nelle nane bianche, dove gli elettroni sono compressi dalla gravità.
Materia degenerata di neutroni: presente nelle stelle di neutroni, con densità inimmaginabile.
Condensato eccitonico: dove elettroni e lacune (assenze di elettroni) si combinano e scorrono senza resistenza.
Fasi topologiche: materiali con conducibilità speciale in superficie, base per potenziali computer quantistici.

Ognuno ha condizioni estreme di esistenza, ma insieme dimostrano che la materia non si limita a una lista breve.

Perché tutto questo è importante?

Può sembrare un catalogo di stranezze da laboratorio, ma la sua rilevanza va ben oltre.

I superconduttori permettono di immaginare reti elettriche senza perdite di energia, i cristalli liquidi sono alla base di televisori e schermi moderni, e fenomeni come ghiaccio e fuoco potrebbero aprire la strada all’immagazzinamento di informazioni su scala quantistica.

Istituzioni come l’UNESCO, nel suo rapporto del 2021, avvertono che di fronte a crisi crescenti — cambiamento climatico, salute globale, biodiversità — l’investimento nella scienza, inclusa quella di base, è più urgente che mai.

Ciò che oggi sembra una scoperta astratta potrebbe domani entrare a far parte di dispositivi quotidiani, contribuendo a sistemi che integrino salute umana, animale e ambientale, in linea con l’approccio “One Health” promosso dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS).

Un bicchiere d’acqua, un pezzo di ghiaccio o una nuvola di vapore sembrano riassumere la materia che conosciamo. Ma oltre il visibile, esistono mondi inaspettati: cristalli temporali, superflui, elettroni tra ghiaccio e fuoco.

Ogni nuovo stato scoperto ci ricorda che ciò che consideriamo quotidiano è solo la superficie; la materia continua a nascondere segreti che, poco a poco, iniziano a toccare la nostra vita quotidiana.

Riferimenti della notizia

Clerc, M.G., Kowalczyk, M. & Zambra, V. (2020). Topological transitions in an oscillatory driven liquid crystal cell. Scientific Reports.

Universidad de Chile. (2020). Investigadores de la FCFM proponen un nuevo estado de la materia. Publicato in Noticias U. de Chile.

Weiguo Yin et al. (2024). Phase Switch Driven by the Hidden Half-Ice, Half-Fire State in a Ferrimagnet, Physical Review Letters.

Laura Mgrdichian-West. (2024). 'Half ice, half fire': Physicists discover new phase of matter in a magnetic material. Nota pubblicata su PHYS.ORG.

UNESCO. (2021). UNESCO report calls for substantial increases in investment in science in the face of growing crises. Pubblicato sul sito web dell’Istituzione.