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Nuove quasiparticelle scoperte che si comportano come nessun’altra particella conosciuta
Sembrano scegliere e selezionare le proprietà quantistiche che preferiscono.
Due strati di grafene, temperature vicine allo zero assoluto e un campo magnetico incredibilmente forte: mescolali insieme e ottieni una nuova quasiparticella.
Quando consideriamo lo spazio tridimensionale, ci sono solo due classi di particelle: bosoni e fermioni, ciascuna con caratteristiche uniche che le distinguono. Ma l’universo può diventare un po’ più strano: certe interazioni tra particelle si comportano come una particella a sé stante, e le chiamiamo quasiparticelle. I ricercatori hanno scoperto una nuova classe di quasiparticelle che si comportano come nessun’altra particella mai vista. Questa classe è stata chiamata eccitoni frazionari, e sembra avere alcune proprietà in comune con i bosoni, alcune proprietà in comune con i fermioni e alcune proprietà che semplicemente li spingono in una categoria a sé stante. Il team dietro la scoperta crede che ci sia molto potenziale per applicazioni che utilizzano queste quasiparticelle.
“I nostri risultati indicano una classe completamente nuova di particelle quantistiche che non portano alcuna carica complessiva ma seguono statistiche quantistiche uniche,” ha dichiarato in un comunicato Jia Li, co-autore dello studio e professore associato di fisica alla Brown University. “La parte più eccitante è che questa scoperta sblocca una gamma di nuove fasi quantistiche della materia, presentando una nuova frontiera per la ricerca futura, approfondendo la nostra comprensione della fisica fondamentale e aprendo persino nuove possibilità nella computazione quantistica,” ha continuato Li.
Un eccitone – anche nella sua forma regolare – è una piccola bestiola strana. Un elettrone viene estratto da un materiale, quindi si ha l’elettrone e il “buco” che ha lasciato dietro di sé. Il buco è caricato positivamente, e così gli elettroni possono iniziare a orbitare attorno al buco. Questo è un eccitone. Un modo per creare eccitoni è nell’effetto Hall quantistico. Prendi un materiale come il grafene a temperature estremamente basse ed esponilo a campi magnetici estremamente alti, e si crea una tensione laterale nel materiale che aumenta in passi chiari e separati. Questo è il quantistico per te – ma c’è un aggiornamento ancora più strano.
Poi c’è l’effetto Hall quantistico frazionario, dove i passi portano solo una carica frazionaria dell’elettrone. Ora questo è davvero peculiare, poiché la carica dell’elettrone è la carica fondamentale della natura, quindi non puoi avere 0,3 cariche di elettrone o 2,5 cariche di elettrone – eppure puoi avere una carica frazionaria nelle quasiparticelle grazie all’effetto Hall quantistico frazionario. Creando questo effetto in due strati di grafene separati da un cristallo isolante di nitruro di boro esagonale, il team ha ottenuto gli eccitoni frazionari. Questi sono a metà strada tra fermioni e bosoni come un’altra quasiparticella che esiste nei materiali 2D nota come anyon, ma non si comportano nemmeno come quelli.
“Questo comportamento inaspettato suggerisce che gli eccitoni frazionari potrebbero rappresentare una classe completamente nuova di particelle con proprietà quantistiche uniche,” ha spiegato Naiyuan Zhang, co-primo autore con Ron Nguyen e Navketan Batr, tutti alla Brown. “Mostriamo che gli eccitoni possono esistere nel regime dell’effetto Hall quantistico frazionario e che alcuni di questi eccitoni derivano dall’accoppiamento di particelle con carica frazionaria, creando eccitoni frazionari che non si comportano come bosoni.”
Gli eccitoni possono essere trovati nei semiconduttori e in altri materiali, quindi influenzano una miriade di processi e fenomeni nella tecnologia comune. La scoperta di un nuovo tipo di eccitone potrebbe portare a nuove applicazioni.
“Abbiamo essenzialmente sbloccato una nuova dimensione per esplorare e manipolare questo fenomeno, e siamo solo all’inizio di grattare la superficie,” ha detto Li. “Questa è la prima volta che abbiamo dimostrato che questi tipi di particelle esistono sperimentalmente, e ora stiamo approfondendo ciò che potrebbe derivare da esse.”
Un articolo che descrive i risultati è pubblicato sulla rivista Nature.