Cosa studia la fisica della materia?
Come si evince dal titolo, in quest’articolo cercheremo di capire insieme cosa studia la fisica della materia. Ma per rispondere alla domanda nel titolo dobbiamo prima di tutto chiederci: cos’è la fisica della materia?
Digitando sul web le parole ”fisica della materia” scoprirai che si tratta di una branca della fisica. Essa studia le proprietà fisiche microscopiche della materia.
Questo settore della fisica è attualmente il campo di ricerca più ampio che la fisica moderna ha sviluppato.
In particolare si occupa delle fasi condensate, caratterizzate da un grande numero di costituenti del sistema e dalle loro forti interazioni.
Sommario
Un po’ di storia
Inizialmente la fisica della materia condensata nasce dalla fisica dello stato solido.
Fu Philip Anderson (premio nobel per la fisica nel 1977) a coniare il termine fisica della materia condensata. Questo avveniva nel 1976, rinominando il suo gruppo di ricerca, precedentemente dedicato allo stato solido.
Successivamente nel 1978 la Divisione di Fisica dello Stato Solido dell’American Physical Society fu rinominata Divisione di Fisica della Materia Condensata.
La ragione di questo cambiamento di nome è dovuto al fatto che molti delle teorie e delle metodiche impiegate per lo studio dei solidi si applicavano anche ai sistemi fluidi.
Uno degli esempi principali è rappresentato dagli elettroni di conduzione in un conduttore elettrico che formano un tipo di fluido quantistico con proprietà del tutto similio a quelle dei fluidi costituiti da atomi.
La fisica della materia condensata è una disciplina caratterizzata da un forte radicamento teorico.
Le potenzialità della fisica della materia
Intorno alla metà degli anni Sessanta i fisici teorici entrarono in possesso di tecniche per implementare una potente teoria quantistica perturbativa a molti corpi.
Iniziarono quindi ad applicarla non soltanto allo studio dei solidi e dei fluidi di bassa temperatura. Ma anche alla fisica nucleare, all’elettrodinamica quantistica di insiemi di particelle elementari e persino a problemi di astrofisica.
Come l’insieme di neutroni ad alta densità di cui sono costituite le pulsar. Oppure come il fluido ancora più denso che rappresenta il cuore della cosmologia del big bang.
La vera specializzazione di questi teorici aveva meno a che fare con il particolare tipo di materia oggetto del loro studio che con gli strumenti matematici a loro disposizione.
La maggior parte delle attività di ricerca nel campo della materia condensata continuò a essere diretta verso le applicazioni tecnologiche.
Gli specialisti non si occupavano dal punto di vista teorico di problemi generali e neanche di problemi più specifici, come le proprietà di una particolare ceramica o lega metallica oppure di uno specifico campione di materiale semiconduttore.
Già all’inizio degli anni Settanta in molti settori si era ormai in grado di realizzare previsioni precise sulle proprietà di nuove combinazioni di atomi.
Questo significava che si poteva iniziare a progettare materiali e dispositivi a stato solido su richiesta. Soltanto pochi e tra i più sagaci si resero conto che questi fisici stavano aprendo una nuova epoca nella storia della civilizzazione umana. Quella che ben presto sarebbe stata chiamata l’era dell’informazione.
Quali applicazioni?
La Fisica della Materia vanta il privilegio di studiare sia tramite teoria e simulazioni al calcolatore. Sia tramite sofisticati esperimenti, i comportamenti, le proprietà e le applicazioni della materia, formata da costituenti semielementari.
Ora che sappiamo la storia e le potenzialità di questa disciplina, viene spontaneo chiedersi.
Cosa studia un fisico della materia?
In realtà le infinite possibili fasi e stati della materia, e le strutture micrometriche e nanometriche, pongono continue sfide ai ricercatori.
Sia per lo sviluppo di nuovi materiali, sorgenti di radiazione e composti con caratteristiche ed applicazioni innovative. Sia per la comprensione fondamentale e la possibilità di modificare le loro proprietà.
Le aree di interesse vanno dai sistemi estesi (solidi, liquidi, “materia soffice” e plasmi) in equilibrio termodinamico fino agli aggregati nanometrici di materia e ai fenomeni di non-equilibrio.
La ricerca in questo campo si occupa anche dell’interazione radiazione-materia.
Inclusi approcci spettroscopici innovativi teorici e sperimentali, lo studio dell’attrito su scala atomica e i fenomeni dissipativi tramite modelli teorici e simulazioni numeriche.
Anche la dinamica dei plasmi confinati fa parte degli approcci insieme ai fasci di particelle e alle proprietà quantistiche della radiazione. Uniti anche ad altri fenomeni come i fenomeni coerenti – dal laser ad elettroni liberi all’ “entanglement”. Senza dimenticare le applicazioni al processo quantistico dell’informazione ed alla metrologia quantistica.
Diversi sono i fisici che studiano le nanotecnologie e si occupano quindi di assemblare atomi e molecole per sintetizzare materiali che assolvano alla funzione di dispositivi.
Oggetto di studio della fisica dei materiali sono anche i nanolaser, emettitori di luce ad alta efficienza e nuovi materiali per la fotonica, la tecnica che usa la luce per trasmettere ed elaborare informazione.
Sempre più ricercatori si dedicano alla sperimentazione delle soluzioni tecnologiche e dei materiali per produrre, immagazzinare e gestire l’energia in modo sostenibile. Un esempio sono le celle solari sottili, flessibili e a basso costo.
La complessità della materia condensata rende necessario tradurre le leggi della meccanica quantistica e statistica in forma comprensibile a un calcolatore.
Tutto ciò per compiere veri e propri esperimenti numerici i fisici teorici studiano le proprietà strutturali, meccaniche, di trasporto etc. di sistemi nanostrutturati. Questi sistemi si trovano sotto l’influenza di disordine strutturale e composizionale e della temperatura.
In un’altra ottica ci si concentra sulle proprietà di sistemi ordinati come cristalli o supercristalli artificiali. Un esempio è la ricerca sui materiali superconduttori, in cui la corrente fluisce indefinitamente senza bisogno di un generatore di tensione a temperature molto basse.
Quando la fisica incontra l’arte
Un ulteriore campo applicativo della fisica dei materiali riguarda lo sviluppo di nuove tecniche di caratterizzazione non distruttive di opere d’arte o reperti archeologici.
Esempi ne sono lo studio dei materiali e l’identificazione di pigmenti su dipinti, ceramiche, manoscritti. Volti a trovare soluzioni ai problemi del restauro, la conservazione, la datazione e l’autenticazione delle opere d’arte.
La fisica dei materiali è di gran lunga il campo di ricerca più ampio della fisica contemporanea. Esso è anche arricchito da numerose sovrapposizioni con diverse discipline come la chimica, la scienza dei materiali, l’elettronica, le nanotecnologie e l’ingegneria.
Tutte queste caratteristiche ne fanno una materia decisamente complessa ma allo stesso tempo davvero affascinante.
Marzia Carluccio.
