Immagina di poter ascoltare la sinfonia nascosta all’interno dei materiali, di tutti i materiali, un concerto di vibrazioni che dà vita a ciò che ci circonda. Benvenuto nel mondo dei fononi: loro sono gli artefici di questa musica.
La parola fonone deriva dal greco phonos, che significa suono o voce. Da qui deriva ad esempio anche la parola telefono, che significa suono a distanza.
Un fonone è un oggetto quantistico che emerge dalle vibrazioni collettive di miliardi di atomi in un reticolo cristallino. È classificato come quasiparticella o eccitazione collettiva. A differenza di una particella, come un elettrone o un atomo, che può esistere isolatamente e indipendentemente, una quasiparticella non ha un’esistenza propria al di fuori del sistema in cui appare. Potremmo avere elettroni liberi, ma i fononi esistono solo come manifestazione del comportamento collettivo della materia.
Proprio per il loro carattere collettivo, hanno bisogno di un mezzo che si ecciti per poter esistere. Così come ne ha bisogno il suono.
Indice
Propagazione delle onde nel nanomondo
Dalla musica di una chitarra al grugnito di un gorilla, qualsiasi suono si propaga nello spazio che ci circonda attraverso un’onda meccanica. L’onda comprime e decomprime l’aria, ovvero il mezzo materiale in cui si muove, ed è per questo che la sentiamo.
Questo è analogo a ciò che fanno le vibrazioni degli atomi in un solido cristallino. Ma attenzione, perché i solidi cristallini non hanno nulla a che vedere con il vetro delle finestre: si tratta di solidi con i loro atomi disposti in modo molto ordinato e periodico nelle tre dimensioni, come ad esempio in una lamina di rame.
Come accade per tante altre cose nel mondo subatomico, il suono delle particelle quantistiche non rispetta le stesse leggi che regolano, ad esempio, il canto degli uccelli o il rimbombo di un tamburo.
L’energia trasportata da queste onde, frutto del movimento degli atomi, deve seguire le leggi della meccanica quantistica e trasmettere l’energia attraverso pacchetti o quanti di energia, cioè in modo quantizzato.
Il mini mondo dei fononi
Qualsiasi materiale, visto al microscopio, è composto da atomi che si collegano tra loro per acquisire una determinata forma, che si tratti di un muro o del corpo umano stesso, dalle unghie alle cellule del cuore. Le molecole sono, infatti, combinazioni stabili ed elettricamente neutre di atomi.
In un solido cristallino, gli atomi sono disposti in modo ordinato in una struttura uniforme e ripetitiva. Possiamo immaginare una rete in cui i nodi sono occupati dagli atomi, con una peculiarità: non stanno mai fermi! Vibrano intorno alla loro posizione di equilibrio. Ed è qui che inizia la sinfonia.
Si può considerare che i legami tra questi atomi si comportano essenzialmente come delle molle, in modo tale che, quando uno si muove, un’onda si propaga in tutto il cristallo. Ma naturalmente, se osservassimo questa onda con occhi meccano-quantistici, la vedremmo anche come una particella a causa del principio di dualità onda-corpuscolo.
Appare quindi il fonone, che si muove attraverso il cristallo interagendo con altre particelle come gli elettroni. Questa interazione, ad esempio, in determinate condizioni, dà origine a fenomeni affascinanti come la superconduttività.
Quando manca la struttura cristallina e si entra nel mondo dei materiali amorfi, il cammino libero medio dei fononi diventa molto breve, il che rende difficoltosa la propagazione delle onde. In questi materiali amorfi non c’è armonia. È come un’orchestra in cui ogni musicista suona un pezzo diverso.
In questa orchestra non tutto è suono
Uno dei ruoli più importanti dei fononi è l’influenza che hanno sulla conduttività termica dei materiali, soprattutto dei non metalli, poiché nei metalli sono gli elettroni a influenzare maggiormente la conducibilità termica. Quando un materiale viene riscaldato, l’energia termica viene assorbita dagli atomi, che iniziano a vibrare con più intensità.
Queste vibrazioni si propagano attraverso il materiale sotto forma di fononi, trasferendo l’energia termica da una parte all’altra del materiale. In generale, la conduttività termica aumenta se i fononi possono viaggiare attraverso il materiale senza molti ostacoli (difetti, impurità e bordi nel materiale). E se non ci sono troppi fononi, ovviamente.
Sì, i fononi possono collidere tra loro e ridurre la conducibilità termica, quindi l’aumento della temperatura non aumenterà sempre la conducibilità. Questa, infatti, raggiungerà un massimo che dipenderà dai costituenti del materiale, dalla sua struttura, purezza e dimensioni.
Conoscere questo parametro è fondamentale per scegliere il materiale giusto a seconda che si desiderino materiali termicamente isolanti, come il legno o i polimeri, o buoni conduttori, come il diamante.
Una composizione per il futuro
Esplorare il mondo di queste quasiparticelle non ha l’obiettivo di ascoltare una composizione musicale mai udita dall’orecchio umano (anche se è comunque un’idea meravigliosa). Studiarle ci permette di svelare i misteri che regolano la propagazione del suono e la conducibilità termica dei materiali, e come queste quasiparticelle influenzino le proprietà elettroniche dei materiali.
Questa conoscenza è di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuove tecnologie, dalla nanotecnologia all’elettronica avanzata. E, per di più, ci permette di scoprire che nel profondo della materia c’è anche musica.