Anche elementi chimici molto conosciuti e molto studianti possono rivelare sorprese e presentare aspetti nuovi e sorprendenti. È il caso dell’ossigeno, il cui diagramma di fase a basse temperature e alte pressioni mostrava delle irregolarità ancora poco comprese: cercando di comprendere l’origine di questi fenomeni, un team di ricercatori della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) e del Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP) di Trieste ha identificato una nuova fase, in cui l’ossigeno esibisce caratteristiche che non si conoscevano ancora.
Il gruppo, guidato dal professor Erio Tosatti – docente alla SISSA e membro straniero della National Academy of Sciences Usa – e comprendente Michele Fabrizio, della SISSA, Yanier Crespo e Sandro Scandolo dell’ICTP ha eseguito calcoli molto delicati ed estesi e ha sviluppato modelli quantistici mirati a capire questo angolo del diagramma di fase: i risultati sono stati appena pubblicati su PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences. Ilsussidiario.net ne ha parlato con Erio Tosatti.
Come siete arrivati a questo risultato?
Da parecchi anni svolgiamo ricerche su temi inerenti da un lato la materia a pressioni elevatissime e dall’altro i fenomeni quantistici che implicano anche il magnetismo. Lo studio sperimentale delle pressioni molto elevate è ormai possibile, dopo l’invenzione delle celle a incudine di diamante; e per noi teorici è particolarmente interessante per i comportamenti che la materia manifesta, completamente diversi dalle condizioni normali: gli isolanti diventano metalli, il magnetismo scompare, le molecole si rompono. Mi viene in mente in proposito una celebre incisione di Escher dove uno stormo di uccelli si trasforma in pesci. Insomma, succedono una serie di fenomeni molto belli, divertenti e diversissimi da un caso all’altro.
Perché vi siete concentrati sull’ossigeno?
L’ossigeno, oltre ad essere uno dei più importanti elementi, ha l’aspetto curioso di possedere un magnetismo molecolare: è un fenomeno che ha intrigato da sempre si i fisici che i chimici. Come mai tra tutti i gas proprio l’ossigeno presenta questo comportamento, che si chiama paramagnetismo? La spiegazione richiede l’impiego della meccanica quantistica, che sulle prime i chimici erano un po’ restii ad utilizzare. Si è così trovata una semplice regola (detta di Hund) che permette di capire come mai la molecola di ossigeno ha un momento magnetico di spin (lo spin indica il verso di rotazione degli elettroni su se stessi) uguale a uno, corrispondente a due elettroni che si orientano in maniera parallela.
Cosa succede allora alle pressioni molto elevate?
Quando si comprime l’ossigeno a pressioni di migliaia di atmosfere avvengo i passaggi di stato, fino allo stato solido dove i momenti magnetici si ordinano secondo una configurazione che origina il cosiddetto antiferromagnetismo. L’ossigeno solido quindi è antiferromagnetico e col crescere della pressione si passa a tante fase successive denominate alfa, beta, gamma, delta con complicate trasformazioni strutturali, già molto studiate. A 80.000 atmosfere si trova una fase enorme, la epsilon, che va fino a 960.000 atmosfere; dopo di che si passa a una fase metallica e poi l’ossigeno diventa anche superconduttore.
Ma la fase epsilon restava incomprensibile; come mai?
Sì, per molti anni nessuno ha mai capito cosa succedesse e come mai sembrava scomparire il magnetismo. Circa dieci anni fa gli sperimentali hanno scoperto che nella fase epsilon succedeva un fenomeno sorprendente: le molecole si mettono insieme a gruppetti di quattro, potremmo chiamarli quartetti. Confrontando calcoli ed esperimenti, ci siamo accorti che oltre le 200-300.000 atmosfere le cose funzionavano bene, diversamente accadeva nella parte più bassa della fase. Ci siamo messi a calcolare e abbiamo trovato che effettivamente tra 80.000 e 200.000 atmosfere il magnetismo dovrebbe “risorgere”. Bisognava a questo punto capire come mai gli esperimenti non lo rivelavano. Ulteriori calcoli ci hanno permesso di capire che il momento magnetico in realtà c’è ma esegue una specie di oscillazione, potremmo dire una danza: per un po’ è in una direzione, poi passa a un’altra. Questa fase di stati non ordinati ha assunto il nome di liquido di spin: cioè gli spin ci sono ma non stanno fermi, sono appunto come liquidi e si muovono non a causa della temperatura ma per effetti quantistici.
In sostanza, avete trovato una nuova fase ….
Sì. Il nostro studio dimostra che la fase epsilon in realtà si divide in due fasi e che la prima, da 80.000 a 200.000 atmosfere, che abbiamo chiamato epsilon1, è quella dove le molecole del quartetto allestiscono una vera e propria “danza quantistica”, scambiandosi i momenti magnetici.
È come se le molecole giocassero a palla con il loro spin, passandoselo continuamente, così che il valore medio del momento e della magnetizzazione di ogni molecola è zero. Nella fase epsilon1 quindi le molecole hanno spin, ma questi fluttuano in modo coerente dentro i quartetti e fra i quartetti come un coro di cicale. Quindi non è vero che nella fase epsilon1non vi siano proprietà magnetiche dell’ossigeno: semplicemente non erano state calcolate né tantomeno misurate con chiarezza. Dopo questi risultati abbiamo verificato la letteratura sull’argomento e abbiamo trovato dati sperimentali in accordo con il nostro modello che finora erano apparsi come anomalie.
Adesso aspettate le verifiche sperimentali; che tipo di esperimenti si possono pensare?
Devo dire che spesso gli sperimentali sono più fantasiosi di noi teorici e potranno suggerire diverse piste. Un esperimento che mi piacerebbe veder realizzato è di questo tipo: se la fase epsilon non ha momento di spin, come pensiamo che sia oltre le 200.000 atmosfere, riscaldando il sistema e misurando la suscettività magnetica non si dovrebbe osservare nulla di speciale. Se però il nostro modello tiene, nella fase epsilon1 i momenti magnetici ci sono e andando a temperature sui 200 – 300 kelvin dovrebbe apparire una suscettività magnetica e questa sarebbe la firma della presenza del magnetismo. Misura di questo tipo ci risulta che si possono fare e hanno già mostrato il loro interesse gruppi di fisici giapponesi e francesi; forse anche un gruppo di Firenze, che già ha lavorato su questo, potrebbe dare un contributo.
Qual è lo scopo di uno studio dell’ossigeno a temperature così elevate e inusuali nelle nostre situazioni terrestri?
Non conosco in dettaglio sistemi nei quali l’ossigeno si può trovare in queste condizioni. Ci sono diversi studi che descrivono altri sistemi come acqua, ammoniaca, metano, CO2 ad elevate pressioni diversi contesti planetari; ma non abbiamo evidenze per l’ossigeno. Ci sono stati in passato anche tentativi di sintetizzare ad altissime pressioni nuovi materiali (è il caso del cosiddetto superquarzo) che esibivano proprietà speciali, che però è difficile mantenere scendendo a pressioni ordinarie.
Tuttavia, ritengo che ci siano alcune motivazioni forti che possono sostenere le nostre ricerche.
A cosa si riferisce?
Penso anzitutto che il tentativo di comprendere come è fatta la natura, debba prescindere dall’urgenza del “a che cosa serve?”. Inoltre, sono convinto che, quando si trova qualcosa di elegante, di bello, è senz’altro importante. Il “bello” nella scienza è un parametro fondamentale: il bello è una fortuna rara e quando ti capita va trattenuto il più possibile. C’è da aggiungere che noi non possiamo sapere cosa ci riserverà il futuro e ci sono un’infinità di ricerche condotte senza avere la minima idea della loro utilità e che poi si sono rivelate fondamentali.
Infine, ci sono delle possibilità che esistano delle fasi di ossigeno a queste alte pressioni: se consideriamo sistemi molecolari complessi, ad esempio ossidi, troviamo che a pressioni elevatissime tendono a decomporsi; in tal caso è possibile che ci sia una segregazione di ossigeno da qualche parte e che possa essere descritta nel modo che abbiamo previsto. È un fatto per ora solo speculativo ma non è impossibile. Ribadisco però che non è questo il motivo per cui ci impegnamo nelle nostre ricerche.