I ricercatori del Politecnico di Milano, per la prima volta al mondo, sono riusciti a trasformare la luce in un supersolido che agisce simultaneamente sia come cristallo che come fluido privo di viscosità, sconvolgendo così la fisica classica.
“Abbiamo trasformato la luce in un solido. E questo è fantastico!”. Questa esclamazione del Dr. Dimitris Trypogeorgos fa da sintesi ai risultati di un esperimento straordinario appena pubblicato sulla prestigiosa rivista intrenazionale Nature.
Fino a ieri si potevano solo immaginare tali “stati esotici” della materia usando atomi ultrafreddi.
Oggi invece, grazie ad un team di fisici del Consiglio Nazionale delle Ricerche – CNR – che opera all’interno del Politecnico di Milano, la luce stessa è stata trasformata in questo “stato paradossale della materia condensata”, aprendo le porte ad un nuovo capitolo della fisica fondamentale e a future tecnologie applicative che ancora non si riescono ad immaginare del tutto.
Quando l’impossibile diventa sperimentale
Non è la prima volta che la luce ci sorprende. Dal 2009, quando la D.ssa Danielle Sanvitto, fisico e ricercatrice del CNR, dimostrò che la luce poteva comportarsi come un fluido, si sapeva che questo assunto, apparentemente semplice, nascondeva in realtà proprietà straordinarie. Ma fare il passo successivo, trasformare cioè la luce in un supersolido, sembrava un’impresa ai limiti dell’impossibile.
I ricercatori hanno utilizzato un semiconduttore costituito da arseniuro di gallio e alluminio. Un raggio laser è stato diretto verso un frammento di questo materiale, appositamente strutturato con sottili creste, e l’interazione tra la luce e il semiconduttore ha generato particelle ibride chiamate polaritoni.. La sua particolare conformazione a creste ha giocato un ruolo cruciale, limitando il movimento e i livelli energetici di queste “quasiparticelle”, consentendo ai polaritoni di aggregarsi ordinatamente a formare uno stato supersolido.
C’è da chiedersi quante altre sorprese ci riserverà ancora questo fascio di fotoni che chiamiamo luce e che diamo per scontato ogni giorno.
Cos’è un supersolido e perché dovrebbe entusiasmarci
Un supersolido è un materiale unico nel suo genere che possiede due proprietà fondamentali:
- Una struttura cristallina ordinata, simile a quella di materiali comuni come il sale da cucina;
- la capacità di fluire senza attrito, caratteristica propria dei superfluidi.
Questa combinazione apparentemente contraddittoria è possibile solo grazie alla meccanica quantistica, il ramo della fisica che studia fenomeni naturali su scala microscopica.
Siamo davvero di fronte a qualcosa di assolutamente innovativo: immaginiamo di prendere un cubetto di ghiaccio che, mentre mantiene perfettamente la sua forma tridimensionale, può anche passare attraverso un setaccio senza resistenza come se fosse acqua. Sembra assurdo, eppure è esattamente ciò che accade in questi “stati esotici” della materia dove struttura cristallina rigida e flusso senza attrito coesistono nello stesso materiale.
Fino ad oggi, i fisici erano riusciti a creare supersolidi solo raffreddando atomi a temperature vicinissime allo zero assoluto (-273,15 ° Celsius), dove gli effetti quantistici dominano. La grande novità è che ora i supersolidi si possono ottenere manipolando la luce a temperature elevate, grazie al contatto con materiali semiconduttori appositamente strutturati. Ciò significa poter studiare questi fenomeni quantistici in condizioni sperimentali decisamente più accessibili rispetto al passato.
Il metodo italiano per domare la luce
L’esperimento non è stato affatto semplice. I ricercatori hanno, infatti, dovuto progettare con precisione micrometrica delle “creste” sul semiconduttore, creando un pattern che racchiudesse le particelle ibride generate dall’interazione tra luce e materia – i cosiddetti “polaritoni“ citati in precedenza. Questo confinamento ha forzato le particelle a disporsi in una struttura perfettamente cristallina pur mantenendo la fluidità tipica dei sistemi quantistici.
La D.ssa Sanvitto sottolinea quante sfide abbia dovuto superare, con la sua èquipe di ricercatori, per dimostrare di aver effettivamente creato un supersolido di luce. “Non esistevano precedenti, nessun protocollo sperimentale da seguire. Abbiamo dovuto misurare numerose proprietà simultaneamente per provare che il nuovo materiale fosse realmente sia un solido che un fluido senza viscosità”.
Un futuro supersolido dalle enormi potenzialità
Secondo il Prof. Alberto Bramati dell’Università Sorbona di Parigi, “questo esperimento rappresenta solo un primo fondamentale passo. Ci sono infatti innumerevoli test e misurazioni da eseguire per comprendere appieno le proprietà del supersolido di luce, ma le possibilità di applicazioni future sono veramente ampie ed entusiasmanti”.
Il Dr. Trypogeorgos suggerisce che questi supersolidi fotonici possano essere più facili da manipolare rispetto a quelli atomici, aprendo nuove strade per lo studio di “stati esotici” della materia finora inaccessibili. “Un giorno questa ricerca porterà a tecnologie rivoluzionarie, esattamente come accaduto con altri fenomeni quantistici che oggi alimentano computer, laser e dispositivi medici per la diagnostica e la terapia, in particolare nel settore oncologico”.
Siamo davvero solo all’inizio di un nuovo capitolo della fisica quantistica applicata alla medicina. E, come spesso accade, tutto può iniziare con un semplice fascio di luce.
Immunoterapia: un microchip ne predice l’efficacia
Una seconda recente tecnologia, con interessanti risvolti sanitari, giunge anch’essa da ricerche compiute in Italia.
Un modello miniaturizzato di intestino umano, realizzato su un dispositivo con le dimensioni di un microchip, è stato messo a punto da un gruppo di ricercatori dell’Istituto Europeo di Oncologia – IEO – e del Politecnico di Milano, il quale prevede la risposta enterica dei pazienti con melanoma al trattamento mediante immunoterapia.
La tecnologia UBeat
L’interazione fra microbiota intestinale e immunoterapia è nota da tempo e si sa che l’infiammazione enterica è uno degli effetti collaterali principali che spesso costringe a interrompere la terapia antitumorale nei pazienti con melanoma. Da qui l’idea dei ricercatori di applicare al colon la tecnologia “gut-on-chip – chip-su-organi”, con dettagli studiati proprio per chiarire sempre meglio questo legame e le sue conseguenze.
Ad essere utilizzata è stata l’innovativa tecnologia brevettata uBeat, di proprietà del Politecnico di Milano.
“L’abbiamo applicata, in questo lavoro di biomedicina, per ricreare il tipico movimento peristaltico del tratto intestinale”, afferma il Prof. Marco Rasponi, docente del Dipartimento di Elettronica, Informatica e Bioingegneria del Politecnico di Milano e uno dei Coordinatori dello studio.
“Grazie ai continui movimenti generati da uBeat, è possibile far differenziare le principali popolazioni intestinali a partire da organoidi umani, riproducendo così, su microchip, un ambiente altamente realistico. La capacità di guidare processi biologici complessi mediante la sola miniaturizzazione e ingegnerizzazione del sistema biologico, apre prospettive molto promettenti, soprattutto nella realizzazione di modelli umanizzati in vitro destinati a sostituire l’impiego, in numerosi ambiti di ricerca, degli animali da laboratorio.
Per ottenere ciò, basta ottenere un campione fecale dal paziente e testarne gli effetti sul dispositivo Ubeat “gut-on-chip”.
È importante sottolineare che stiamo utilizzando questo sistema per scoprire i meccanismi d’azione molecolare coinvolti nella risposta all’immunoterapia di altri tipi di tumore, dove i benefici per i pazienti risultano ancora marginali”.
Gli studiosi hanno scoperto che il microbiota dei pazienti con melanoma, non rispondenti all’immunoterapia, ha spiccate caratteristiche pro-infiammatorie: “Esse danneggiano l’integrità della barriera epiteliale dell’intestino e promuovono la produzione di molecole in grado di deregolare il sistema immunitario”, spiega il Dr. Mattia Ballerini, primo autore dello studio.
L’indagine si è incentrata sull’analisi dei meccanismi biochimici mediante i quali il microbiota interagisce con le cellule dell’epitelio intestinale. “Queste caratteristiche possono essere utilizzate in clinica come marker per prevedere la risposta all’immunoterapia e stratificare quindi i pazienti, così da poter somministrare una cura personalizzata a chi, più probabilmente, ne beneficerà appieno”, precisa l’altro Coordinatore dello studio, il Dr. Luigi Nezi, Direttore del Dipartimento di Oncologia sperimentale dello Ieo. “Inoltre, l’utilizzo del nostro “gut-on-chip” potrà evitare ai pazienti resistenti alla terapia, il rischio di inutili effetti collaterali, dando ai loro oncologi la possibilità di somministrare farmaci mirati che li predispongano ad una sempre migliore risposta immunitaria”.
Articoli
Scoperti gli “tsunami di luce laser” che, incontrando il tumore, lo distruggono – Oncolife
Diagnosi del cancro al seno con la luce rossa – Oncolife
https://www.oncolife.it/novita-dalla-ricerca/diagnosi-cancro-seno-luce-rossa/
Cancro della pelle: chirurgia micrografica di Mohs – Oncolife
https://www.oncolife.it/lavori-scientifici/cancro-della-pelle-chirurgia-micrografica-di-mohs/
Fonti
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08616-9 (articolo Nature sulla luce supersolido)
https://www.futuroprossimo.it/2025/03/cnr-luce-trasformata-in-supersolido-prima-volta-al-mondo/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39939548/ (articolo sul microchip Ubeat)
https://www.milanofinanza.it/news/immunoterapia-un-chip-predice-l-efficacia-202503101759486056