In condizioni particolari di altissima pressione le molecole di ossigeno si raggruppano in quartetti e danno luogo a una “danza” dei loro momenti magnetici. Questo, come osservato da una nuova ricerca a cui collaborano SISSA e ICTP e pubblicata sulla rivista PNAS, determina proprietà magnetiche non osservate prima in queste condizioni e suggerisce teoricamente l’esistenza una nuova fase di questo elemento, chiamata epsilon 1.

Forse non tutti lo sanno, ma l’ossigeno – caso raro per una molecola così semplice – ha proprietà magnetiche. Il diagramma di fase dell’ossigeno solido a basse temperature e alte pressioni mostra però delle irregolarità (per esempio veri e propri “buchi di informazione” su queste proprietà magnetiche) ancora poco comprese. Un team di ricercatori della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) e del Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP) di Trieste, cercando di comprendere l’origine di questi fenomeni, ha identificato una nuova fase, in cui l’ossigeno esibisce caratteristiche che non si conoscevano ancora.

Il magnetismo dell’ossigeno è legato allo spin degli elettroni. “In ogni molecola due elettroni allineano parallelamente il loro momento intrinseco di rotazione e magnetico, lo spin 1/2,  dando luogo a un momento magnetico di spin 1”, spiega Erio Tosatti, professore della SISSA e fra gli autori delle ricerca appena pubblicata su PNAS. “Ad altissime pressioni però il mondo va sottosopra”, scherza lo scienziato, “gli isolanti diventano superconduttori, i materiali magnetici perdono le loro proprietà e così via. Come l’ossigeno per esempio: pur esibendo proprietà magnetiche a pressioni moderate, le molecole perdono il magnetismo a pressioni superiori a 80mila atmosfere. O almeno così si credeva, perché secondo i nostri studi la situazione è più complessa”.

La prima fase non magnetica, chiamata epsilon, è stata studiata a lungo. “Gli scienziati non capivano cosa succedesse”, continua Tosatti. “Qualche anno fa si è capito, prima sperimentalmente poi teoricamente, che questa perdita di magnetismo è causata dall’improvviso raggruppamento delle molecole in ‘quartetti’, motivata a sua volta da una sorta di ‘reticenza’ dell’ossigeno a diventare metallico”. A pressioni ancora superiori (un milione di atmosfere) infatti l’ossigeno assume una forma metallica e diventa superconduttore. “La formazione dei quartetti con perdita di magnetismo si potrebbe definire un trucco usato dall’ossigeno per ritardare il momento in cui diventa metallico. Una spiegazione interessante, ma alcune incongruenze nei dati della fase epsilon alle pressioni più ‘basse’, subito sopra le 80mila atmosfere, hanno spinto il nostro gruppo ad andare a fondo alla questione”, spiega Tosatti. Tosatti, insieme a Michele Fabrizio, della SISSA, Yanier Crespo, dell’ICTP e Sandro Scandolo, sempre dell’ICTP, hanno eseguito calcoli molto delicati ed estesi, e sviluppato modelli quantistici mirati a capire questo angolo del diagramma di fase”.

Più in dettaglio…
“Il nostro studio dimostra che la fase epsilon in realtà si divide in due fasi e che nella prima, da 80mila a 200mila atmosfere, che abbiamo chiamato epsilon 1, fra le molecole del quartetto avviene una vera e propria ‘danza quantistica’”.

I quattro scienziati hanno infatti osservato che le quattro molecole di ossigeno in ciascun gruppo si scambiano costantemente i momenti magnetici. “È come se le molecole giocassero a palla con il loro spin, il verso di rotazione degli elettroni su se stessi, passandoselo continuamente, così che il valore medio del momento e della magnetizzazione di ogni molecola è zero. Nella fase epsilon 1 dell’ossigeno quindi le molecole hanno spin, ma questi fluttuano in modo coerente dentro i quartetti e fra i quartetti come un coro di cicale”, spiega Tosatti.

Stando a queste osservazioni nella fase epsilon 1 non è dunque vero che non vi siano proprietà magnetiche dell’ossigeno, semplicemente non erano state calcolate né tantomeno misurate con chiarezza. “Dopo i nostri risultati abbiamo verificato la letteratura sull’argomento e abbiamo trovato dati sperimentali in accordo con il nostro modello che finora erano apparsi come anomalie”, precisa Tosatti.

Questa ricerca dunque divide la fase epsilon in due, epsilon 1 (da 80mila a 200mila atmosfere), con proprietà magnetiche fluttuanti, ed epsilon 0 (da 200mila a un milione di atmosfere), priva invece di proprietà magnetiche. “Abbiamo previsto una nuova linea di transizione fra queste due fasi, forse con un punto critico, che sarebbe inedito in questo contesto. Ci sono inoltre implicazioni anche per quel che riguarda la risposta magnetica e di dissipazione presenti nella fase epsilon 1 ma non nella fase epsilon 0” spiega Tosatti. “ Speriamo ora di stimolare i fisici sperimentali a verificare tutte queste novità”.

In condizioni particolari di altissima pressione le molecole di ossigeno si raggruppano in quartetti e danno luogo a una “danza” dei loro momenti magnetici. Questo, come osservato da una nuova ricerca a cui collaborano SISSA e ICTP e pubblicata sulla rivista PNAS, determina proprietà magnetiche non osservate prima in queste condizioni e suggerisce teoricamente l’esistenza una nuova fase di questo elemento, chiamata epsilon 1.

Forse non tutti lo sanno, ma l’ossigeno – caso raro per una molecola così semplice – ha proprietà magnetiche. Il diagramma di fase dell’ossigeno solido a basse temperature e alte pressioni mostra però delle irregolarità (per esempio veri e propri “buchi di informazione” su queste proprietà magnetiche) ancora poco comprese. Un team di ricercatori della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) e del Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP) di Trieste, cercando di comprendere l’origine di questi fenomeni, ha identificato una nuova fase, in cui l’ossigeno esibisce caratteristiche che non si conoscevano ancora.

Il magnetismo dell’ossigeno è legato allo spin degli elettroni. “In ogni molecola due elettroni allineano parallelamente il loro momento intrinseco di rotazione e magnetico, lo spin 1/2,  dando luogo a un momento magnetico di spin 1”, spiega Erio Tosatti, professore della SISSA e fra gli autori delle ricerca appena pubblicata su PNAS. “Ad altissime pressioni però il mondo va sottosopra”, scherza lo scienziato, “gli isolanti diventano superconduttori, i materiali magnetici perdono le loro proprietà e così via. Come l’ossigeno per esempio: pur esibendo proprietà magnetiche a pressioni moderate, le molecole perdono il magnetismo a pressioni superiori a 80mila atmosfere. O almeno così si credeva, perché secondo i nostri studi la situazione è più complessa”.

La prima fase non magnetica, chiamata epsilon, è stata studiata a lungo. “Gli scienziati non capivano cosa succedesse”, continua Tosatti. “Qualche anno fa si è capito, prima sperimentalmente poi teoricamente, che questa perdita di magnetismo è causata dall’improvviso raggruppamento delle molecole in ‘quartetti’, motivata a sua volta da una sorta di ‘reticenza’ dell’ossigeno a diventare metallico”. A pressioni ancora superiori (un milione di atmosfere) infatti l’ossigeno assume una forma metallica e diventa superconduttore. “La formazione dei quartetti con perdita di magnetismo si potrebbe definire un trucco usato dall’ossigeno per ritardare il momento in cui diventa metallico. Una spiegazione interessante, ma alcune incongruenze nei dati della fase epsilon alle pressioni più ‘basse’, subito sopra le 80mila atmosfere, hanno spinto il nostro gruppo ad andare a fondo alla questione”, spiega Tosatti. Tosatti, insieme a Michele Fabrizio, della SISSA, Yanier Crespo, dell’ICTP e Sandro Scandolo, sempre dell’ICTP, hanno eseguito calcoli molto delicati ed estesi, e sviluppato modelli quantistici mirati a capire questo angolo del diagramma di fase”.

Più in dettaglio…
“Il nostro studio dimostra che la fase epsilon in realtà si divide in due fasi e che nella prima, da 80mila a 200mila atmosfere, che abbiamo chiamato epsilon 1, fra le molecole del quartetto avviene una vera e propria ‘danza quantistica’”.

I quattro scienziati hanno infatti osservato che le quattro molecole di ossigeno in ciascun gruppo si scambiano costantemente i momenti magnetici. “È come se le molecole giocassero a palla con il loro spin, il verso di rotazione degli elettroni su se stessi, passandoselo continuamente, così che il valore medio del momento e della magnetizzazione di ogni molecola è zero. Nella fase epsilon 1 dell’ossigeno quindi le molecole hanno spin, ma questi fluttuano in modo coerente dentro i quartetti e fra i quartetti come un coro di cicale”, spiega Tosatti.

Stando a queste osservazioni nella fase epsilon 1 non è dunque vero che non vi siano proprietà magnetiche dell’ossigeno, semplicemente non erano state calcolate né tantomeno misurate con chiarezza. “Dopo i nostri risultati abbiamo verificato la letteratura sull’argomento e abbiamo trovato dati sperimentali in accordo con il nostro modello che finora erano apparsi come anomalie”, precisa Tosatti.

Questa ricerca dunque divide la fase epsilon in due, epsilon 1 (da 80mila a 200mila atmosfere), con proprietà magnetiche fluttuanti, ed epsilon 0 (da 200mila a un milione di atmosfere), priva invece di proprietà magnetiche. “Abbiamo previsto una nuova linea di transizione fra queste due fasi, forse con un punto critico, che sarebbe inedito in questo contesto. Ci sono inoltre implicazioni anche per quel che riguarda la risposta magnetica e di dissipazione presenti nella fase epsilon 1 ma non nella fase epsilon 0” spiega Tosatti. “ Speriamo ora di stimolare i fisici sperimentali a verificare tutte queste novità”.