La legge universale della crescita in fisica è rimasta per decenni una questione aperta, uno di quei problemi che sembrano semplici sulla carta ma che poi, nei laboratori, fanno impazzire chiunque provi a confermarli. Eppure, un gruppo di scienziati dell’Università di Würzburg è riuscito nell’impresa: dimostrare sperimentalmente, per la prima volta in assoluto, che il modello matematico noto come equazione KPZ funziona anche in due dimensioni. E questo cambia parecchie cose.

Facciamo un passo indietro. Nel 1986, tre ricercatori (Kardar, Parisi e Zhang) proposero un’equazione pensata per descrivere come le superfici crescono. Un cristallo che si forma, una colonia di batteri che si espande, un fronte di fiamma che avanza: processi diversissimi tra loro, eppure governati dalle stesse regole nascoste. L’idea era potente, quasi elegante nella sua semplicità. Ma confermarla con un esperimento vero? Tutta un’altra storia.

Perché ci sono voluti quarant’anni per arrivare a questa conferma

Il problema principale è che i processi di crescita delle superfici sono casuali, non lineari e si svolgono fuori dall’equilibrio termodinamico. Come spiega Siddhartha Dam, ricercatore post dottorato nel Cluster di Eccellenza ct.qmat a Würzburg, progettare un sistema capace di misurare contemporaneamente l’evoluzione spaziale e temporale di un processo fuori equilibrio è una sfida enorme. Soprattutto quando tutto si gioca su scale temporali ultrabrevi, nell’ordine dei picosecondi.

Nel 2022, un team di Parigi era riuscito a confermare le previsioni dell’equazione KPZ, ma solo in una dimensione. Il salto a due dimensioni si è rivelato molto più complicato. Fino a oggi.

Il trucco? Particelle ibride di luce e materia, osservate a temperature estreme

Per riuscirci, il team di Würzburg ha costruito un esperimento quantistico estremamente controllato. Ha raffreddato un semiconduttore in arseniuro di gallio fino a circa meno 269 gradi centigradi e lo ha stimolato con un laser. In queste condizioni si formano particelle molto particolari chiamate polaritoni, ibridi tra fotoni ed eccitoni. Esistono solo per pochi picosecondi e solo in condizioni di non equilibrio, il che li rende perfetti per studiare i processi di crescita rapida.

La struttura del materiale gioca un ruolo cruciale. Strati a specchio intrappolano i fotoni all’interno di un sottile “film quantistico”, dove interagiscono con gli eccitoni formando polaritoni osservabili nel tempo e nello spazio. Simon Widmann, dottorando che ha condotto gli esperimenti, ha spiegato che il controllo della crescita del materiale avviene atomo per atomo grazie all’epitassia a fascio molecolare, permettendo di regolare con precisione micrometrica tutti i parametri sperimentali, compreso il laser.

Il concetto teorico alla base dell’esperimento era stato proposto già nel 2015 da Sebastian Diehl, professore all’Università di Colonia. Ma trasformare quella teoria in una dimostrazione concreta ha richiesto oltre un decennio di lavoro. Diehl stesso ha commentato che questa dimostrazione sperimentale della universalità KPZ in sistemi bidimensionali evidenzia quanto l’equazione sia fondamentale per descrivere i sistemi reali fuori dall’equilibrio.

Quello che rende tutto questo affascinante non è solo il risultato in sé, ma le implicazioni. Se processi così diversi seguono davvero le stesse regole matematiche quando crescono, allora la fisica ha tra le mani uno strumento potentissimo. Dalla formazione dei cristalli alla dinamica delle popolazioni, fino all’apprendimento automatico, il modello KPZ potrebbe essere la chiave per comprendere fenomeni che, in apparenza, non hanno nulla in comune. E adesso, finalmente, la conferma sperimentale c’è.

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Cambiare la polarità di un ferromagnete usando solo un fascio di luce laser, senza bisogno di scaldare nulla. Sembra fantascienza, eppure è esattamente quello che un gruppo di ricercatori dell’Università di Basilea e del Politecnico federale di Zurigo (ETH) è riuscito a dimostrare. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature nel marzo 2026, apre prospettive davvero notevoli: in futuro, questa tecnica potrebbe permettere di scrivere e riconfigurare circuiti elettronici direttamente su un chip, usando la luce come unico strumento.

Per capire perché questa scoperta faccia tanto rumore, vale la pena fare un passo indietro. Un ferromagnete funziona perché miliardi di minuscoli momenti magnetici all’interno del materiale si allineano nella stessa direzione. Ogni elettrone possiede una proprietà chiamata spin, che genera un campo magnetico piccolissimo. Quando tutti questi spin puntano dalla stessa parte, l’effetto combinato produce un magnete forte e stabile. Quello che si trova attaccato alla porta del frigorifero, per intendersi. Normalmente, per invertire la polarità di un magnete del genere, bisogna portarlo sopra una certa temperatura critica: il calore rompe l’ordine, gli spin si rimescolano, e quando il materiale si raffredda possono riorientarsi in modo diverso. Il team guidato dal professor Tomasz Smoleński a Basilea e dal professor Ataç Imamoğlu a Zurigo ha trovato il modo di fare tutto questo senza alzare la temperatura di un grado. Solo con un impulso di luce laser.

Materiali quantistici e stati topologici: la ricetta della svolta

Il segreto sta nel materiale utilizzato. I ricercatori hanno lavorato con due strati ultrasottili di un semiconduttore organico chiamato ditelluride di molibdeno, sovrapposti con una leggera rotazione tra loro. Questo piccolo dettaglio geometrico cambia tutto: la torsione genera comportamenti elettronici insoliti e permette agli elettroni di organizzarsi in quelli che vengono chiamati stati topologici.

Per spiegare cosa siano, i fisici usano spesso un’analogia semplice ma efficace. Una palla non ha buchi, una ciambella ne ha uno. Non importa quanto si deformi una palla: non diventerà mai una ciambella senza tagliarla. Allo stesso modo, gli stati topologici sono fondamentalmente diversi tra loro e non possono essere trasformati l’uno nell’altro in modo graduale. In questo sistema particolare, gli elettroni possono passare da stati che si comportano come isolanti a stati che conducono elettricità come i metalli. In entrambi i casi, le interazioni tra gli elettroni fanno sì che i loro spin si allineino, producendo uno stato ferromagnetico.

Ed è qui che entra in gioco il laser. Con un singolo impulso luminoso, il gruppo di ricerca è riuscito a cambiare l’orientamento collettivo degli spin, invertendo la polarità dell’intero ferromagnete in un colpo solo. Non di un singolo elettrone, ma dell’intero sistema. Come ha spiegato Olivier Huber, dottorando all’ETH che ha condotto le misurazioni insieme a Kilian Kuhlbrodt e Smoleński, il cambio di polarità è permanente. E la topologia del materiale influenza le dinamiche di questo processo, il che aggiunge un ulteriore livello di controllo.

Verso circuiti ottici riprogrammabili

La cosa ancora più interessante è che il laser non si limita a invertire il magnete. Può anche creare nuovi confini interni nel materiale, definendo regioni dove lo stato ferromagnetico topologico esiste e regioni dove no. Questo processo è ripetibile, il che significa che si possono controllare dinamicamente sia le proprietà magnetiche sia quelle topologiche del sistema. Per verificare che il minuscolo ferromagnete, largo appena pochi micrometri, avesse davvero cambiato polarità, i ricercatori hanno usato un secondo fascio laser più debole: analizzando la luce riflessa, hanno potuto determinare con precisione l’orientamento degli spin.

Le implicazioni pratiche sono affascinanti. Smoleński ha dichiarato che in futuro sarà possibile usare questo metodo per “scrivere otticamente” circuiti topologici arbitrari e adattabili su un chip. Circuiti che potrebbero includere interferometri miniaturizzati capaci di rilevare campi elettromagnetici estremamente deboli, aprendo la strada a tecnologie di rilevamento di precisione del tutto nuove. Dalla fisica fondamentale ai dispositivi del futuro, questa ricerca dimostra che il confine tra luce e materia è molto più sottile di quanto si pensasse. E che un semplice impulso luminoso può riscrivere le regole del gioco.

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