Dall’intuizione di Maxwell alla fisica moderna

Nel 1861, il fisico James Clerk Maxwell, spinto dall’idea di unificare elettricità e magnetismo, ebbe un’intuizione affascinante: un magnete, anche se non fisicamente in rotazione, potrebbe comportarsi come una trottola (o giroscopio) a causa di ciò che lo scienziato riteneva fosse il “moto del fluido elettrico” all’interno del magnete (l’esistenza degli elettroni non fu scoperta che quasi 40 anni dopo). Maxwell decise di costruire un apparato per misurare questo fenomeno e provare così la sua intuizione, ma l’esperimento non gli riuscì. Per oltre un secolo, dunque, la sua previsione rimase una teoria elegante, ma priva di prove sperimentali. Ora i ricercatori Andrea Vinante dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR) e Felix Klaus Ahrens della Fondazione Bruno Kessler di Trento, sono finalmente riusciti a osservare in laboratorio la teoria di Maxwell.

I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters, mostrano come un microscopico magnete levitante oscilli come una trottola, guidato da una forza interna invisibile. Questa scoperta non solo risolve una domanda rimasta da tempo aperta in fisica, ma apre anche la strada a progressi nella magnetometria ultra-sensibile, nelle tecnologie quantistiche e persino nella ricerca della materia oscura.

I ricercatori hanno utilizzato una microsfera magnetica (di appena 40-60 micrometri di diametro), realizzata con una lega di terre rare. Hanno fatto levitare questo minuscolo magnete all’interno di una camera superconduttrice raffreddata allo zero assoluto, dove poteva muoversi liberamente senza attrito. Quando disturbata, la sfera non oscillava come un pendolo, ma tracciava delicate traiettorie ellittiche, come fosse guidata da un giroscopio invisibile al suo interno.

Riuscire in questa osservazione ha comportato sfide tecniche immense: raffreddare una camera di piombo a -269°C e creare una trappola magnetica quasi perfetta, dove la microsfera potesse fluttuare senza attrito, isolata da rumori esterni.

I ricercatori hanno poi utilizzato gli SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) per rilevare il movimento della sfera, osservando le minuscole oscillazioni ellittiche del magnete levitante. Infine, i due ricercatori hanno sviluppato una formula matematica per isolare l’effetto giroscopico dal rumore di fondo. Analizzando come il movimento del magnete in due direzioni diverse influenzi sia l’una che l’altra, sono riusciti a distinguere il segnale sottile della velocità angolare nascosta. 

Questo risultato è incredibile tanto quanto riuscire a  cercare di udire un sussurro in una stanza piena di rumori: si può fare solo con strumenti altamente sofisticati e con metodi complessi per cogliere i suoni più flebili.

L’ esperimento di Arhens e Vinante non si limita a confermare l’ipotesi di Maxwell; spiana la strada a tecnologie che potrebbero rivoluzionare la magnetometria, con applicazioni che spaziano dalla cosmologia alla medicina. Ad esempio, considerando che il corpo umano genera campi magnetici minuscoli, in particolare nel cervello e nel cuore, magnetometri ultra-sensibili potrebbero permettere ai medici di mappare l’attività neurale in tempo reale, offrendo nuovi modi per diagnosticare e studiare condizioni come l’epilessia o l’Alzheimer senza procedure invasive. Oltre al corpo umano e nello spazio, questa tecnologia potrebbe aiutare a testare la teoria della relatività generale di Einstein in modi nuovi, rilevando, per esempio, il frame-dragging, un fenomeno in cui un oggetto massiccio in rotazione, come la Terra, distorce lievemente il tessuto dello spaziotempo intorno a sé. Un Magnete giroscopico potrebbe essere abbastanza sensibile da misurare questo fenomeno.

Per questo, il team sta già guardando al futuro. Felix Ahrens e Andrea Vinante, spiegano: “Il nostro prossimo obiettivo è ridurre ulteriormente le dimensioni del sistema, dai micrometri ai nanometri. A quella scala, l’effetto giroscopico diventa abbastanza forte da consentire la realizzazione di giroscopi quantistici: dispositivi che potrebbero misurare rotazioni e campi magnetici con una precisione senza precedenti, aiutandoci alla fine a esplorare i misteri più profondi dell’universo, come la natura della materia oscura o il comportamento quantistico degli oggetti macroscopici”.

Nel frattempo, questa scoperta rappresenta una testimonianza del potere della scienza guidata dalla curiosità. Ciò che è iniziato come un enigma teorico posto da Maxwell nel XIX secolo si è ora trasformato in un fenomeno tangibile con un potenziale rivoluzionario per la tecnologia del XXI secolo.

Questo ci ricorda come, in fondo, per dirla con Bernardo di Chartres,  siamo davvero “nani sulle spalle di giganti”: possiamo guardare lontano grazie al sapere del passato. Ma diventiamo, a nostra volta,  anche noi giganti, pronti a tenere sulle spalle i nani del futuro. 

Crediti immagine di copertina: APS/Alan Stonebraker