GSSI, 1,5 mln per studiare la matematica dei sistemi quantistici

La ricercatrice del GSSI – Gran Sasso Science Institute Serena Cenatiempo riceverà dall’ERC, lo European Research Council, 1,5 milioni di euro nell’arco dei prossimi cinque anni per portare avanti il progetto MaTCh. L’obiettivo del progetto è sviluppare modelli matematici per la comprensione dei sistemi quantistici.

Cenatiempo è tra i 400 ricercatori europei, di cui 32 italiani, che nel 2023 hanno ricevuto uno degli starting grant dall’organo della Commissione Europea che finanzia la ricerca di base in Europa. Gli starting grant ERC sono dedicati a ricercatori nella fase iniziale della loro carriera. 

Il progetto MaTCh, Macroscopic Properties of Interacting Bosons: a Unified Approach to the Thermodynamic Challenge, combinerà diverse tecniche matematiche per descrivere come fenomeni quantistici si verifichino a livello macroscopico in sistemi costituiti da un grande numero di bosoni (atomi in cui la somma dei neutroni, protoni ed elettroni è pari).

“Siamo abituati a pensare che gli effetti quantistici si manifestino solo alla scala microscopica. E in effetti la meccanica quantistica descrive le interazioni tra costituenti della materia le cui dimensioni sono milioni di volte più piccole di quelle di un granello di sabbia. Tuttavia, esistono effetti quantistici visibili a occhio nudo, e sono estremamente bizzarri – spiega Cenatiempo. Un esempio è quello dell’elio superfluido: “Quando l’elio viene compresso e poi portato a temperature estremamente basse, diventa un liquido capace di risalire le pareti del contenitore in cui viene raccolto, un comportamento che sfugge al nostro intuito“, aggiunge la ricercatrice del GSSI.

L’elio liquido non è l’unico sistema superfluido: oggi conosciamo numerosi sistemi i cui costituenti sono in grado di muoversi senza sperimentare alcuna resistenza e a partire dal 1995 gli scienziati hanno osservato la superfluidità anche in sistemi di atomi allo stato gassoso. Questa scoperta è valsa il premio Nobel per la fisica nel 2001 e ha portato uno sviluppo straordinario nella realizzazione di nuovi materiali che sfruttano i principi della meccanica quantistica per ottenere comportamenti innovativi.

A oggi però non esiste una teoria matematica rigorosa che spieghi il comportamento di questi sistemi a partire dalle caratteristiche fondamentali dei suoi componenti. Nel 1947 il fisico russo Nikolay Bogoliubov ebbe un’intuizione e formulò una teoria approssimata per i sistemi di bosoni, come l’elio superfluido. La sua teoria – pur non permettendo di descrivere accuratamente l’elio superfluido, è ancora oggi un riferimento per la descrizione di superfluidi allo stato gassoso. Tuttavia, proprio perché basata su alcune intuizioni, non è possibile valutarne l’affidabilità a priori, in maniera teorica, ma solo a posteriori, confrontandone le predizioni con le osservazioni in laboratorio.

Nel 2018, insieme con un gruppo di ricercatori dell’Università di Zurigo, Cenatiempo ha provato la validità delle predizioni della teoria di Bogoliubov – in condizioni particolari di interazione tra gli atomi – nella forma di un teorema matematico.

“La matematica ci ha permesso di acquisire un controllo dettagliato sulla differenza tra il comportamento macroscopico di un gas di bosoni confinato a temperature prossime allo zero assoluto, cioè a -273,15°C, complicatissimo da studiare perché coinvolge migliaia di particelle e quindi milioni di interazioni, e le predizioni basate sulla teoria di Bogoliubov, una teoria approssimata che di quel sistema prova a cogliere le caratteristiche essenziali“, commenta Cenatiempo.

Il progetto MaTCh, acronimo scelto perché significa sia partita, nel senso di sfida, sia mettere insieme, si propone di proseguire su questa strada estendendo l’approccio sviluppato ad altri sistemi. Nel lungo termine, i risultati di MaTCh potrebbero essere il punto di partenza per modelli numerici utili a progettare a computer nuovi materiali con le proprietà desiderate, dalla superconduttività al magnetismo quantistico. Questi modelli numerici potrebbero poi indirizzare e ottimizzare gli esperimenti in laboratorio.

Il gruppo di ricerca di MaTCh sarà formato da dottorandi e giovani ricercatori che lavoreranno presso il GSSI, e una rete di collaboratori internazionali. «Se ho ottenuto questo finanziamento è anche grazie all’ambiente dinamico e stimolante del GSSI, e alle mie collaboratrici Cristina Caraci (dottoranda al GSSI dal 2017 al 2021) e Giulia Basti (ricercatrice al GSSI dal 2020) con cui ho realizzato gli studi preliminari che mi hanno convinto della validità dell’idea», spiega infine Cenatiempo. 

“È la terza volta in pochi anni che il nostro Istituto, giovane e con un numero limitato di ricercatori, ottiene un finanziamento ERC, – commenta Paola Inverardi, rettrice del GSSI – inoltre il progetto MaTCh è l’unico per la matematica in Italia: oltre ad essere un prestigioso riconoscimento, rappresenta un ulteriore motivo di orgoglio per tutto il nostro centro di ricerca“.

Prima di Serena Cenatiempo, al GSSI hanno conseguito uno ERC anche Elisabetta Baracchini e Francesco Viola. A livello complessivo, quest’anno i ricercatori di nazionalità italiana sono al secondo posto per numero di finanziamenti; mentre le università e i centri di ricerca italiani che ospiteranno questi progetti sono 32, al quarto posto (parimerito con la Gran Bretagna) dopo Germania, Francia e Olanda.