Il mondo della fisica quantistica ha appena aggiunto un capitolo piuttosto sorprendente. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Innsbruck, in collaborazione con il fisico teorico Alvise Bastianello del CNRS e dell’Université Paris-Dauphine, è riuscito a creare in laboratorio un bizzarro stato della materia chiamato fractional Fermi sea. Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters alla fine di giugno 2026, descrive come atomi ultrafreddi di cesio possano essere spinti in una configurazione quantistica del tutto inedita, dove le particelle si organizzano in modi che nessuna teoria consolidata aveva previsto.

Per capire la portata della cosa, vale la pena fare un passo indietro. A temperature bassissime, le particelle quantistiche seguono regole molto rigide. I fermioni, per esempio, si impilano ordinatamente negli stati energetici disponibili formando quello che viene chiamato “mare di Fermi”. È un concetto fondamentale, uno di quei pilastri su cui si regge buona parte della comprensione dei sistemi quantistici a bassa temperatura. Quello che il gruppo di Hanns-Christoph Nägerl ha fatto è stato prendere questo pilastro e, in sostanza, piegarlo. Confinando atomi di cesio in una dimensione e facendoli oscillare ripetutamente tra interazioni fortemente repulsive e fortemente attrattive, i ricercatori hanno ottenuto qualcosa di notevole: gli atomi non si sono semplicemente scaldati o disordinati, ma si sono riorganizzati in uno stato eccitato eppure straordinariamente ordinato. Da qui il nome fractional Fermi sea, perché le particelle sembrano obbedire a una regola di occupazione ridotta rispetto al normale.

Ordine nascosto e una fase critica mai osservata prima

La parte davvero affascinante riguarda le proprietà di questo stato. Le correlazioni matematiche tra le particelle mostrano oscillazioni pronunciate, note come oscillazioni di Friedel, insieme a un comportamento di decadimento peculiare che si manifesta a tutti i livelli di interazione repulsiva. Il punto chiave è che queste caratteristiche non rientrano in quelle previste dalla teoria dei liquidi di Tomonaga-Luttinger, che per decenni è stata il riferimento standard per descrivere la materia quantistica unidimensionale. Come ha spiegato Nägerl stesso, lo stato è altamente eccitato ma non è affatto casuale: possiede un ordine nascosto che diventa visibile solo analizzando le correlazioni. Ha anche aggiunto, con una punta di ironia, che non è ancora chiaro come chiamare le nuove quasiparticelle che emergono da questo stato, suggerendo scherzosamente il termine “super fermioni”.

Yi Zeng, primo autore dello studio, ha sottolineato come il ciclo di interazione non produca semplice riscaldamento ma una vera e propria riorganizzazione degli atomi in un nuovo stato quantistico a molti corpi. Questo apre la strada a esplorazioni della materia quantistica ben oltre i paradigmi di equilibrio tradizionali.

Cosa significa per il futuro della simulazione quantistica

Queste firme così distintive indicano la presenza di una fase critica della materia completamente nuova ed esotica. La scoperta del fractional Fermi sea non è solo un esercizio teorico elegante: rappresenta un percorso inedito per indagare comportamenti quantistici universali utilizzando simulatori ad atomi freddi. Nägerl lo ha detto in modo piuttosto diretto: questa scoperta dimostra fino a dove si può spingere la simulazione quantistica, non limitandosi a riprodurre modelli già noti ma creando e sondando stati che vanno oltre i paradigmi consolidati. Un secondo articolo, che descrive la realizzazione sperimentale del fractional Fermi sea attraverso simulazione quantistica, è attualmente in fase di revisione. Se confermato, potrebbe consolidare ulteriormente l’idea che stiamo entrando in un territorio della fisica dove le sorprese sono tutt’altro che finite.

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Le particelle quantistiche non smettono mai di sorprendere. Per decenni, la fisica ha raccontato una storia piuttosto semplice: ogni particella dell’universo appartiene a una di due famiglie, i bosoni o i fermioni. Punto. Nessuna eccezione. Ora però un gruppo di fisici dell’Okinawa Institute of Science and Technology e dell’Università dell’Oklahoma ha dimostrato che questa divisione netta potrebbe non reggere più. Esisterebbero infatti particelle “a metà strada”, chiamate anioni, capaci di esistere anche in sistemi unidimensionali, e la cosa davvero notevole è che il loro comportamento potrebbe essere regolato a piacimento. Due studi pubblicati su Physical Review A nel maggio 2026 hanno messo nero su bianco questa possibilità, aprendo scenari sperimentali fino a poco tempo fa impensabili.

Ma facciamo un passo indietro. La distinzione tra bosoni e fermioni nasce da un concetto fondamentale della meccanica quantistica: l’indistinguibilità. Quando due particelle identiche si scambiano di posto, possono succedere solo due cose. O il sistema resta identico (bosoni) oppure cambia segno (fermioni). Non esistono altre opzioni, almeno in tre dimensioni. I bosoni tendono a raggrupparsi, come fanno i fotoni nel laser. I fermioni invece si rifiutano di condividere lo stesso stato quantistico, ed è proprio per questo che la tavola periodica è così ricca di elementi diversi. Sembra tutto ordinato, quasi troppo elegante.

Come le dimensioni inferiori cambiano le regole del gioco

Il bello arriva quando si riducono le dimensioni. Già dagli anni Settanta, alcuni teorici avevano previsto che in sistemi a dimensionalità ridotta le particelle potessero comportarsi in modi radicalmente diversi. In spazi bidimensionali o unidimensionali, le traiettorie delle particelle si intrecciano in modo tale che lo scambio non equivale più a “non fare nulla”. Le strade percorse restano aggrovigliate nello spaziotempo e non possono essere sciolte come in tre dimensioni. Questo apre la porta agli anioni, particelle il cui fattore di scambio può assumere valori continui, non solo +1 o meno 1.

Nel 2020, gli anioni erano già stati osservati sperimentalmente ai bordi di semiconduttori bidimensionali ultrafreddi e fortemente magnetizzati. Adesso il team guidato dal professor Thomas Busch ha fatto un ulteriore salto: ha identificato un sistema monodimensionale in cui gli anioni possono esistere e, soprattutto, ha mostrato che il loro fattore di scambio è direttamente collegato alla forza delle interazioni a corto raggio tra le particelle. In pratica, si potrebbe “sintonizzare” il comportamento di queste particelle quantistiche come si regola il volume di una radio.

Verso nuovi esperimenti e nuove risposte

Raúl Hidalgo Sacoto, dottorando nel gruppo di ricerca, ha spiegato che in una dimensione le particelle non possono girarsi attorno per scambiarsi di posto: devono attraversarsi direttamente. Questo cambia radicalmente la fisica dello scambio rispetto a quanto accade in dimensioni superiori e rende possibile mappare le statistiche di scambio degli anioni osservando la loro distribuzione di momento. La cosa entusiasmante è che gli apparati sperimentali necessari per verificare tutto questo esistono già, grazie ai progressi nel controllo di singole particelle all’interno di sistemi atomici ultrafreddi.

Quello che emerge da questa ricerca non è solo una curiosità teorica. Capire se e come le particelle quantistiche possano sfuggire alla dicotomia bosone/fermione significa ripensare alcune delle regole fondamentali della fisica. Il professor Busch lo ha detto con un entusiasmo che è difficile non condividere: la porta verso una comprensione più profonda del mondo quantistico è stata aperta, e adesso resta da vedere cosa ci troveremo dall’altra parte.

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Qualcosa di davvero strano sta succedendo dentro i superconduttori, e gli scienziati lo hanno appena visto con i propri occhi per la prima volta. Un gruppo di ricercatori ha fotografato direttamente il comportamento quantistico delle particelle accoppiate in un sistema che replica la superconduttività, scoprendo una sorta di “danza” coordinata tra le coppie che nessuna teoria esistente aveva mai previsto. Risultato pubblicato il 15 aprile 2026 su Physical Review Letters, frutto della collaborazione tra fisici sperimentali del CNRS francese e teorici del Flatiron Institute della Simons Foundation.

Il punto è questo: nella superconduttività classica, gli elettroni si accoppiano e si muovono insieme, permettendo alla corrente elettrica di scorrere senza alcuna resistenza. La teoria che spiega tutto questo, la celebre teoria BCS (dai nomi di Bardeen, Cooper e Schrieffer, premiata con il Nobel), dice che queste coppie agiscono in modo indipendente l’una dall’altra. Ognuna per conto suo, senza influenzarsi a vicenda. Ecco, questa nuova osservazione racconta una storia completamente diversa.

Come hanno osservato quello che nessuno aveva mai visto

Per riuscire nell’impresa, il team ha usato un gas di atomi di litio raffreddato a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. A temperature così estreme, gli atomi si comportano come fermioni, la stessa categoria di particelle degli elettroni, il che li rende perfetti sostituti per studiare la superconduttività in un ambiente ultra controllato. Grazie a una tecnica di imaging sviluppata appositamente, i ricercatori hanno catturato istantanee dettagliate delle posizioni di ogni coppia di atomi.

E qui arriva la sorpresa. Le coppie non erano distribuite a caso. Ogni coppia manteneva una distanza precisa dalle altre, come ballerini su una pista che evitano di scontrarsi tra loro. Un comportamento coordinato, una correlazione spaziale che la teoria BCS semplicemente non contempla.

“Il nostro esperimento ha mostrato che qualcosa manca qualitativamente da questa teoria,” ha spiegato Tarik Yefsah del Laboratoire Kastler Brossel al CNRS di Parigi. La metafora che usa è efficace: la teoria BCS è come guardare una sala da ballo dall’esterno, sentendo la musica e vedendo i ballerini uscire, senza sapere cosa succede davvero dentro. Con questo nuovo approccio, è come aver piazzato una telecamera grandangolare nel cuore della sala.

Perché questa scoperta può cambiare tutto

Le simulazioni quantistiche condotte da Shiwei Zhang del Flatiron Institute e dal suo ex collaboratore Yuan Yao He hanno confermato punto per punto i dati sperimentali, inclusa la spaziatura tra le coppie “danzanti”. Non si tratta quindi di un artefatto o di un’anomalia strumentale. È un fenomeno reale, robusto, riproducibile.

E le implicazioni sono enormi. Capire meglio come funziona la superconduttività a livello fondamentale è il primo passo per progettare materiali che possano supercondurre a temperature più alte. Negli anni Ottanta furono scoperti i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, che funzionano attorno ai meno 196 gradi Celsius (la temperatura dell’azoto liquido). Ancora oggi, però, nessuno sa spiegare fino in fondo perché funzionino a quelle temperature relativamente “calde”. Il sogno resta quello di arrivare a superconduttori che operino a temperatura ambiente, il che rivoluzionerebbe le reti energetiche, l’elettronica e il calcolo quantistico.

“Comprendendo questo caso semplice, possiamo affinare i nostri strumenti per studiare sistemi più complessi,” ha detto Zhang. “E i sistemi più complessi sono quelli dove cerchiamo nuove fasi della materia, che in passato hanno dato origine a molte scoperte tecnologiche fondamentali.”

Quella danza quantistica dentro i superconduttori, insomma, potrebbe essere la chiave per sbloccare tecnologie che oggi sembrano ancora fantascienza. E adesso, per la prima volta, qualcuno l’ha vista davvero.

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