Credits: Purdue University image/James Nakamura

Introduzione

Nuove prove sperimentali di un comportamento collettivo di elettroni per formare “quasi-particelle” chiamate “anyons” sono state riportate da un team di scienziati della Purdue University.

Gli “anyons” – che traduciamo come anioni per evitare il più cacofonico “qualunquoni” che pur viene usato – hanno caratteristiche che non si vedono in altre particelle subatomiche, tra cui l’esposizione di carica frazionaria e di statistiche frazionarie che mantengono una “memoria” delle loro interazioni con altre quasi-particelle inducendo cambiamenti di fase meccanica quantistica.

L’associato di ricerca post-dottorato James Nakamura – con l’assistenza dei membri del gruppo di ricerca Shuang Liang e Geoffrey Gardner – ha fatto la scoperta mentre lavorava nel laboratorio del professor Michael Manfra. Manfra è un Distinguished Professor of Physics and Astronomy, Bill Purdue’s Bill e Dee O’Brien Chair Professor of Physics and Astronomy, professore di ingegneria elettrica e informatica e professore di ingegneria dei materiali. Anche se questo lavoro potrebbe alla fine rivelarsi rilevante per lo sviluppo di un computer quantistico, per ora, ha detto Manfra, è da considerarsi un passo importante nella comprensione della fisica delle quasi-particelle.

Un articolo di ricerca sulla scoperta è stato pubblicato in Nature Physics di questa settimana.

Anioni

Il fisico teorico premio Nobel Frank Wilczek, professore di fisica al MIT, ha dato a queste quasi-particelle il nome ironico di “anioni” a causa del loro strano comportamento perché, a differenza di altri tipi di particelle, possono adottare “qualsiasi” fase quantistica quando le loro posizioni vengono scambiate.

Prima della crescente evidenza degli anioni nel 2020, i fisici avevano classificato le particelle nel mondo conosciuto in due gruppi: fermioni e bosoni. Gli elettroni sono un esempio di fermioni e i fotoni, che costituiscono la luce e le onde radio, sono bosoni. Una differenza caratteristica tra i fermioni e i bosoni è il modo in cui le particelle agiscono quando sono avvolte, o intrecciate, l’una intorno all’altra. I fermioni rispondono in un modo semplice e i bosoni in un altro modo semplice e prevedibile.

I fermioni rispondono come se avessero una carica frazionaria e, cosa ancora più interessante, creano un cambiamento di fase non banale mentre si intrecciano l’uno intorno all’altro. Questo può dare agli anioni un tipo di “memoria” della loro interazione.

Gli anioni esistono solo come eccitazioni collettive di elettroni in circostanze particolari“, ha detto Manfra. “Ma hanno queste proprietà dimostrabili, tra cui la carica frazionaria e le statistiche frazionarie. È divertente, perché si pensa: “Come possono avere meno carica della carica elementare di un elettrone? Ma ce l’hanno“.

Manfra ha detto che quando i bosoni o i fermioni vengono scambiati, generano un fattore di fase di più uno o meno uno, rispettivamente. “Nel caso dei nostri anioni la fase generata dall’intreccio era di 2π/3“, ha detto. “E’ diverso da quanto si è visto in natura in precedenza“.

Gli anioni mostrano questo comportamento solo come folle collettive di elettroni, dove molti elettroni si comportano come uno solo in condizioni molto estreme e specifiche, quindi non si pensa che si trovino isolati in natura, ha detto Nakamura. “Normalmente nel mondo della fisica, pensiamo alle particelle fondamentali, come protoni ed elettroni, e a tutte le cose che compongono la tavola periodica. Ma studiamo l’esistenza di quasi-particelle, che emergono da un mare di elettroni che si trovano in certe condizioni estreme“.

Poiché questo comportamento dipende dal numero di volte in cui le particelle vengono intrecciate, o attorcigliate, l’una intorno all’altra, sono più robuste nelle loro proprietà rispetto alle altre particelle quantistiche. Questa caratteristica è detta topologica perché dipende dalla geometria del sistema e può portare alla fine a strutture di anioni molto più sofisticate che potrebbero essere usate per costruire computer quantistici stabili e topologici.

L’esperimento

Il team è stato in grado di dimostrare questo comportamento instradando gli elettroni attraverso una specifica nanostruttura simile ad un labirinto fatta di arseniuro di gallio e di alluminio arseniuro di gallio. Questo dispositivo, chiamato interferometro, ha limitato gli elettroni a muoversi in un percorso bidimensionale. Il dispositivo è stato raffreddato a meno di un centesimo di grado dallo zero assoluto (10 millikelvin) e sottoposto a un potente campo magnetico di 9-Tesla. La resistenza elettrica dell’interferometro ha generato un modello di interferenza che i ricercatori hanno chiamato “pyjama plot“. I salti nel pattern di interferenza erano la firma della presenza di anioni.

È sicuramente una delle cose più complesse e complicate da fare nella fisica sperimentale“, ha detto a Science News Chetan Nayak, fisico teorico dell’Università della California, Santa Barbara.

Nakamura ha detto che le strutture di Purdue hanno creato l’ambiente per questa scoperta. “Abbiamo la tecnologia per far crescere il semiconduttore di arseniuro di gallio necessario per realizzare il nostro sistema di elettroni. Abbiamo gli impianti di nanofabbricazione nel Centro di nanotecnologia di Birck per realizzare l’interferometro, il dispositivo che abbiamo usato nei nostri esperimenti. Nel dipartimento di fisica, abbiamo la capacità di misurare temperature ultra-basse e di creare forti campi magnetici“, ha detto. “Quindi, abbiamo tutti i componenti necessari che ci hanno permesso di fare questa scoperta qui alla Purdue ed è il motivo per cui siamo stati in grado di fare questo progresso“.

La ricerca continua

Manfra ha detto che il prossimo passo nella frontiera delle quasi-particelle comporterà la costruzione di interferometri più complicati. “Nei nuovi interferometri avremo la capacità di controllare nella camera la posizione e il numero delle quasi-particelle“, ha detto. “Poi saremo in grado di cambiare il numero delle quasi-particelle all’interno dell’interferometro su richiesta e di cambiare il modello di interferenza a nostra scelta“.

Questa ricerca è stata sostenuta dal  U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, con il numero di premio DE-SC0020138.

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