Trovati potenziali indizi di una nuova forma di materia quantistica?

Un team guidato dai fisici di Princeton ha forse scoperto un sorprendente fenomeno quantistico in un isolante dallo spessore atomico fatto di tungsteno. I risultati sembrerebbero indicare la formazione di tipi completamente nuovi di fasi quantistiche mai viste prima negli isolanti.
Credits: Kai Fu for the Wu Lab, Princeton University

I metalli e gli isolanti sono lo yin e lo yang della fisica, le loro rispettive proprietà materiali sono strettamente dettate dalla mobilità dei loro elettroni - i metalli dovrebbero condurre liberamente gli elettroni, mentre gli isolanti li mantengono in posizione.

Così, quando i fisici dell'Università di Princeton, USA hanno trovato una stranezza quantica dei metalli che rimbalza all'interno di un composto isolante, si sono chiesti che cosa stava accadendo.

Dovremo aspettare ulteriori studi per scoprire esattamente cosa sta succedendo. Una possibilità allettante è rappresentata dal fatto che potremmo essere di fronte ad una particella mai vista precedentemente, una particella che rappresenterebbe un terreno neutro nel comportamento degli elettroni. I ricercatori hanno chiamato tale potenziale particella 'fermione neutro'.

«Questa è stata una totale sorpresa», afferma il fisico Sanfeng Wu dell'Università di Princeton. «Ci siamo chiesti, cosa sta succedendo? Non lo abbiamo ancora capito completamente».

Il fenomeno al centro della potenziale scoperta è l'oscillazione quantistica. Come suggerisce il termine, ciò comporta l'oscillazione avanti e indietro di particelle che si muovono liberamente in determinate condizioni sperimentali.

Per entrare un po' più nel dettaglio, le oscillazioni si verificano quando un materiale viene raffreddato a livelli in cui i comportamenti quantistici dominano più facilmente e allo stesso momento viene applicato e variato un campo magnetico.

Muovere il campo magnetico su e giù fa sì che particelle cariche slegate, come gli elettroni, scivolino tra bande di energia indicate come livelli di Landau.

Si tratta di una tecnica comunemente usata per studiare gli orbitali atomici occupati dagli elettroni attraverso i materiali, in particolare in quelli con proprietà metalliche.

Oscillazioni quantistiche negli isolanti?

Si pensa che gli isolanti siano un altro paio di maniche. Con i loro elettroni che seguono ordini inflessibili di restare in posizione, le oscillazioni quantistiche non trovano applicazione (o almeno non dovrebbero).

I ricercatori hanno esaminato il ditellururo di tungsteno, uno strano semimetallo che assume le proprietà di un isolante quando è immerso in un campo magnetico e sono rimasti sorpresi nell’analizzare che stavano avvenendo oscillazioni quantistiche.

Nonostante la sorpresa, gli scienziati hanno fatto alcune riflessioni sul fenomeno che potrebbe essere accaduto. Mentre una carica che scorre in maniera continua farebbe di questo isolante un conduttore (si tratta di un paradosso), avere un “flusso” di particelle neutre si adatterebbe alle caratteristiche dell'isolante e dell'oscillatore quantistico, il che avrebbe più senso.

Risultati sperimentali in conflitto con tutte le teorie esistenti basate su fermioni carichi

«I nostri risultati sperimentali sono in conflitto con tutte le teorie esistenti basate su fermioni carichi, ma potrebbero essere spiegati in presenza di fermioni neutrali alla carica», scrive il ricercatore Pengjie Wang.

L'unico problema è che i fermioni veramente neutri non dovrebbero esistere secondo il Modello Standard di Fisica delle Particelle.

I fermioni sono un po' come i mattoni elementari della materia

I fermioni sono particelle che sono un po' come i "mattoncini Lego®" della materia, mentre l'altro tipo di particelle fondamentali sono i bosoni - particelle che trasportano carica.

Immagine - Schema semplificato del Modello Standard della fisica delle particelle.

Una particella veramente neutra è anche la sua antiparticella, questo è qualcosa che abbiamo visto nei bosoni, ma mai nei fermioni.

Quindi trovare un fermione veramente neutro probabilmente riscriverebbe la nostra comprensione della fisica, ma non è quello che i ricercatori pensano stia accadendo qui.

I fisici ipotizzano che ciò che hanno rilevato rappresenti più una quasiparticella neutra, ossia un tipo quantico di particella ibrida.

Che cosa è una quasiparticella?

Per capire cos'è una quasiparticella, immaginiamo la fisica delle particelle come uno studio della musica.

Particelle fondamentali come quark ed elettroni sono strumenti individuali. Formano la base di una varietà di particelle più grandi, da bande rock a tre elementi come i protoni o sinfonie come interi atomi.

Le bande che suonano in sincronia su palchi opposti possono anche essere viste come un singolo evento, una quasiparticella che per tutti gli scopi suona come un unico evento.

La stranezza quantistica può "spalmare" le proprietà degli elettroni in modo che frazioni della loro carica si distribuiscano lungo gli spazi.

In altre parole, alcune quasiparticelle di elettroni trasportano alcuni pezzi dell'elettrone, come il suo spin, ma non la sua carica, creando effettivamente una versione neutra di se stesso.

Esattamente quale “sapore” della quasiparticella sta operando nel caso specifico (se presente) deve ancora essere elaborato, ma i ricercatori lo descrivono come un territorio completamente nuovo non solo nella sperimentazione, ma anche in teoria.

«Se le nostre interpretazioni dovessero essere corrette, vorrebbe dire che stiamo assistendo a una forma fondamentalmente nuova di materia quantistica», scrive Wu.

«Ora stiamo immaginando un mondo quantistico completamente nuovo nascosto negli isolanti. Potremmo semplicemente aver perso l'opportunità di identificarli negli ultimi decenni».

I fermioni neutri, solo una curiosità accademica?

I fermioni neutri hanno un ruolo potenziale nel migliorare la stabilità dei dispositivi quantistici, quindi trovarne le prove sarebbe più di una curiosità accademica con promettenti applicazioni pratiche.

Siamo ancora agli albori di questa ricerca. Tante scoperte nella scienza sono emerse dalle parole senza tempo, Cosa sta succedendo qui?