Che cosa distingue l'acqua dal ghiaccio e dal vapore? L'intensità con cui vibrano i legami tra le molecole: più vibrano intensamente e più l'acqua assomiglia al vapore; più vibrano lentamente e più l'acqua assomiglia alghiaccio. Com'è noto, è molto facile liquefare un cubetto di ghiaccio e poi fare evaporare il tutto: per indurre ipassaggi di stato, infatti, basta alzare la temperatura. In tal modo forniamo energia alle molecole e, così, i legami che tengono unito il reticolo del ghiaccio vibrano sempre più,fino alla fusione e poi alla vaporizzazione. Aumentare l'energia cinetica degli atomi di un cristallo di ghiaccio, alzando la temperatura, è semplice. Ma che cosa succede, invece, a infondere molta più energia, ad alterare cioè in modo prepotente gli «stati vibrazionali» che legano un atomo all'altro? D’improvviso cambiano le proprietà della molecola. Non si tratta di semplici passaggi di stato, bensì dell'induzione di inedite caratteristiche, mai osservate in natura per uno specifico materiale. In questo modo si potranno ottenere prodotti dalle eccezionali prestazioni.
Ecco alcuni esempi. I supporti magnetici per hard-disk, dalla memoria straordinaria, superconduttori così potenti da rendere obsoleti quelli del Cern, isolanti iper-efficienti e poi metalli che sembrano venire da un altro mondo, oltre a una serie di applicazioni che potranno rivoluzionare l'industria civile e militare e soprattutto quella dell'alta tecnologia»: così ne parla,con toni entusiastici, Cristian Manzoni, recluta del Cnr in forze al Max Planck Institute, che ha descritto la procedura di questi «alchemici»esperimenti sulla rivista «NaturePhysics», assieme al team di ricercatori dell'Istituto di fotonica e nanotecnologie dello stesso Cnr - che ha sede al Politecnico di Milano - in collaborazione con i colleghi del prestigioso istituto tedesco e dei dipartimenti di fisica applicata dell'Università di Tokyo e dell'Università del Michigan.
«Le basi di questi test - spiega Manzoni - hanno origine da studi di ottica non lineare». Esperimenti analoghi, infatti, erano stati condotti sulla luce, ma mai prima d'ora sulla materia. «Si è osservato che è possibile cambiare le proprietà della luce "esaltando" gli stati vibrazionali dei fotoni: oltre una certa soglia compaiono colori sempre diversi. La fonte di luce, sottoposta a questo "stress", passa, per esempio, dalrosso al blu.
Adesso - aggiunge Manzoni - stiamo eseguendo gli stessi testnon già con gli stati vibrazionali deifotoni di luce, ma con quelli degli atomi che compongono la materia». Un obiettivo che era stato inseguito per decenni, ma che è approdato alla prova sperimentale soltanto adesso. Anche i legami atomici, in effetti, posseggono stati vibrazionali. Per spiegare di che cosa si tratta il ricercatore usa questa metafora: «Possiamo immaginare i legami tra atomi inuna molecola come delle molle. Immaginiamo poi di aumentare l'energia delle vibrazioni di queste molle fino ad arrivare al punto di rottura. È a questo stadio che la materia adotta comportamenti inediti.
Abbiamo infatti osservato nuove "famiglie" di stati vibrazionali e stiamo valutando come indurli all'occorrenza per riuscire a modificare le proprietà ordinarie della materia». Stressare lo stato vibrazionale associato al legame di un atomo fino alpunto di rottura, e comprenderne gli effetti, è un concetto molto complicato in apparenza. In realtà può risultare un po’ più intuitivo se si pensa all'acustica. Il paragone lo esemplificacosì Manzoni: «Avete in mente quando alzate il volume dello stereo fino adistorcere una canzone? Con il potenziometro al massimo le vibrazioni, nell'altoparlante, producono suoni nuovi. E, sebbene siano cacofonici per il nostro orecchio, manifestano proprietà acustiche di nuova natura rispetto a quelle “pulite” della sorgente, quando invece il volume è tenuto basso. Noi abbiamo fatto lo stesso, ma non con le onde sonore: l’abbiamo fatto con le onde vibrazionalidegli atomi».
Si tratta di un'impresa resa possibile grazie a un laser sperimentale, con il quale è possibile interveniresulla materia. «Funziona concentrando tutta l'energia della luce inun punto, dopo aver sovrapposto coerentemente le sue diverse lunghezze d'onda: così si ottiene una nuovafonte luminosa - aggiunge il ricercatore -, il nostro laser, appunto». Il principio, per quanto sorprendente,risulta identico a quello della formazione di uno tsunami, «dove le onde,sovrapposte in modo coerente e in contemporanea, danno origine a unasuper-onda di enorme entità. Il nostro raggio di luce è quindi così potente da sottoporre i legami degliatomi di un cristallo a sollecitazionidavvero fortissime». In questo casoa essere testato è un minerale, un ossido doppio di calcio e titanio, noto come Perovskite. Dopo aver vinto, in Germania, la sua scommessa professionale con«Nature», Cristian Manzoni ha deciso di tornarsene a Milano, meritandosi dai colleghi un nobile epiteto: «Cervello di ritorno». «L’ho fatto - conclude - per amore verso il mio Paese, pertenere alta la bandiera della ricercaitaliana e per continuare un esperimento che d'ora in avanti spalancherà inimmaginabili scenari».