Pagina 11 di 19
Materiales (completato)
- Progetto di Fisica
supportato dal Università dell'Extremadura e dall'Università di Madrid
LINK al blog del progetto
LINK alla pagina del progetto
Le transizioni di fase costituiscono uno dei fenomeni più interessanti in natura. Un sistema subisce una transizione di fase quando una variabile esterna (pressione, temperatura, conduttività...) raggiunge un punto critico e provoca importanti anomalie nelle sue proprietà interne (energia, magnetizzazione, conduttività...). L'esempio più comune è quello dell'acqua. A temperatura ambiente è liquida, però se riduciamo la temperatura sotto gli 0°C si congela e diventa solida.
I materiali magnetici sperimentano una transizione di fase quando cambiano da uno stato smagnetizzato ad un altro magnetizzato. Quando la temperatura scende da un determinato valore, gli spins - piccoli magneti in scala atomica - che compongono questi materiali si allineano creando un magnete macroscopico. La conoscenza esatta di queste transizioni è importante non solo da un punto di vista teorico ma anche in molte aree tecnologiche, come la resistenza magnetica dei dischi rigidi, la superconduttività o i nuovi materiali.
I fisici teorici della Universidad Complutense de Madrid, della Universidad de Extremadura e del Instituto de Biocomputacion y Fisica de Sistemas Complejos analizzano tramite simulazioni informatiche come le impurità (atomi non magnetici) nei materiali magnetici modificano le proprietà della transizione di fase.
In alcuni materiali, quando possiedono un elevato grado di purezza, si osserva una transizione di primo ordine. Questo tipo di transizioni si caratterizzano per un cambiamento brusco e la coesistenza durante la transizione dei due stati in cui si trova il materiale. Per esempio, l'acqua a 0° C non cristallizza come un congiunto, ma si cristallizzano grandi regioni (ghiaccio) che coesistono con l'acqua finché si congela completamente. Tuttavia, oltrepassando un certo livello d'impurità, questi materiali subiscono una transizione di secondo ordine, nella quale il cambiamento di fase avviene dolcemente in modo che nel punto di transizione il sistema non presenta coesistenza fra le due fasi.
Nell'immagine: sopra, sistema con un 10% di diluizione nel quale non c'è coesistenza fra le fasi. In cambio, si apprezzano regioni magnetizzate di ogni dimensione, è l'equivalente di una grandinata. Sotto, modelli puri vicino alla transizione nei quali si mostra una bolla e una banda magnetizzata. La regione nera è l'equivalente ad un iceberg galleggiante nel mare.
Un magnete macroscopico contiene nell'ordine di un quadrilione di costituenti. Lavorare con tanti elementi è impossibile per qualsiasi computer. L'unica maniera di raggiungere risultati conclusivi è simulare sistemi piccoli e studiare come variano le sue proprietà a man mano che aumenta la sua dimensione. Quanto più aumentiamo la dimensione, tanto più ci avviciniamo al fenomeno reale. Per questo è necessario realizzare un gran numero di calcoli per i quali risultano fondamentali i computer di Ibercivis.
Grazie ad essi già si stanno ottenendo risultati scientifici di grande interesse. Per esempio, si è stabilito che una quantità piccolissima d'impurità è sufficiente per cambiare l'ordine di transizione. Inoltre, per via dell'avanzamento della ricerca si otterranno dati di una precisione completamente irraggiungibile finora a livello mondiale.
I materiali magnetici sperimentano una transizione di fase quando cambiano da uno stato smagnetizzato ad un altro magnetizzato. Quando la temperatura scende da un determinato valore, gli spins - piccoli magneti in scala atomica - che compongono questi materiali si allineano creando un magnete macroscopico. La conoscenza esatta di queste transizioni è importante non solo da un punto di vista teorico ma anche in molte aree tecnologiche, come la resistenza magnetica dei dischi rigidi, la superconduttività o i nuovi materiali.
I fisici teorici della Universidad Complutense de Madrid, della Universidad de Extremadura e del Instituto de Biocomputacion y Fisica de Sistemas Complejos analizzano tramite simulazioni informatiche come le impurità (atomi non magnetici) nei materiali magnetici modificano le proprietà della transizione di fase.In alcuni materiali, quando possiedono un elevato grado di purezza, si osserva una transizione di primo ordine. Questo tipo di transizioni si caratterizzano per un cambiamento brusco e la coesistenza durante la transizione dei due stati in cui si trova il materiale. Per esempio, l'acqua a 0° C non cristallizza come un congiunto, ma si cristallizzano grandi regioni (ghiaccio) che coesistono con l'acqua finché si congela completamente. Tuttavia, oltrepassando un certo livello d'impurità, questi materiali subiscono una transizione di secondo ordine, nella quale il cambiamento di fase avviene dolcemente in modo che nel punto di transizione il sistema non presenta coesistenza fra le due fasi.
Nell'immagine: sopra, sistema con un 10% di diluizione nel quale non c'è coesistenza fra le fasi. In cambio, si apprezzano regioni magnetizzate di ogni dimensione, è l'equivalente di una grandinata. Sotto, modelli puri vicino alla transizione nei quali si mostra una bolla e una banda magnetizzata. La regione nera è l'equivalente ad un iceberg galleggiante nel mare.
Un magnete macroscopico contiene nell'ordine di un quadrilione di costituenti. Lavorare con tanti elementi è impossibile per qualsiasi computer. L'unica maniera di raggiungere risultati conclusivi è simulare sistemi piccoli e studiare come variano le sue proprietà a man mano che aumenta la sua dimensione. Quanto più aumentiamo la dimensione, tanto più ci avviciniamo al fenomeno reale. Per questo è necessario realizzare un gran numero di calcoli per i quali risultano fondamentali i computer di Ibercivis.
Grazie ad essi già si stanno ottenendo risultati scientifici di grande interesse. Per esempio, si è stabilito che una quantità piccolissima d'impurità è sufficiente per cambiare l'ordine di transizione. Inoltre, per via dell'avanzamento della ricerca si otterranno dati di una precisione completamente irraggiungibile finora a livello mondiale.
Approfondimento:
Il vetro è uno dei più comuni (e misteriosi) stati della materia. Nel senso tecnico della parola, i vetri sono i cristalli delle nostre finestre, però lo sono anche le plastiche o i materiali polimerici con i quali si fabbricano le ali degli aerei. Il vetro è uno stato intermedio fra il solido e il liquido. Alle temperature in cui sono generalmente utilizzati, i vetri appaiono come solidi: sono rigidi e apparentemente non scorrono. Invece, dal punto di vista microscopico, sono molto diversi dai solidi ordinari, dato che gli atomi non si dispongono in una struttura periodica.
Nell'immagine: simulazione al computer di materiali magnetici
Esistono vetri nei materiali magnetici chiamati vetri di spin, dove la disposizione dei poli nord e sud dei magneti atomici è rigida, però casuale. Esiste un comportamento vitreo anche in un grande numero di materiali disordinati, come i superconduttori. Il disordine interessa profondamente le proprietà magnetiche e di conduzione elettrica dei materiali di magnetoresistenza colossale, che potrebbero essere la base della prossima generazione di dischi rigidi nei computer.
Lo studio teorico dei vetri ha trovato altre applicazioni oltre alla Fisica della Materia Condensata. Recentemente sono stati prodotti progressi significativi, ispirati dalla Fisica dei vetri di spin, nel campo dell'ottimizzazione combinatoria nelle Scienze di Calcolo. Un esempio semplice è la regolazione dei semafori in una città: ognuno vorrebbe incontrare un semaforo verde lungo il suo percorso, però questo entra necessariamente in conflitto con gli interessi degli altri conducenti. La ricerca della soluzione ottimale (la sequenza di verde dei semafori nel quale il tempo di attesa medio sia il minore possibile) è un problema di ottimizzazione combinatoria. In tutti questi problemi, è necessario trovare il miglior compromesso fra diversi agenti con intenzioni contraddittorie, cosa che li trasforma in problemi molto simili dal punto di vista matematico ai vetri di spin.
Nell'immagine: simulazione al computer di materiali magnetici
Esistono vetri nei materiali magnetici chiamati vetri di spin, dove la disposizione dei poli nord e sud dei magneti atomici è rigida, però casuale. Esiste un comportamento vitreo anche in un grande numero di materiali disordinati, come i superconduttori. Il disordine interessa profondamente le proprietà magnetiche e di conduzione elettrica dei materiali di magnetoresistenza colossale, che potrebbero essere la base della prossima generazione di dischi rigidi nei computer.
Lo studio teorico dei vetri ha trovato altre applicazioni oltre alla Fisica della Materia Condensata. Recentemente sono stati prodotti progressi significativi, ispirati dalla Fisica dei vetri di spin, nel campo dell'ottimizzazione combinatoria nelle Scienze di Calcolo. Un esempio semplice è la regolazione dei semafori in una città: ognuno vorrebbe incontrare un semaforo verde lungo il suo percorso, però questo entra necessariamente in conflitto con gli interessi degli altri conducenti. La ricerca della soluzione ottimale (la sequenza di verde dei semafori nel quale il tempo di attesa medio sia il minore possibile) è un problema di ottimizzazione combinatoria. In tutti questi problemi, è necessario trovare il miglior compromesso fra diversi agenti con intenzioni contraddittorie, cosa che li trasforma in problemi molto simili dal punto di vista matematico ai vetri di spin.