Un team di fisici della Purdue University ha scoperto una nuova particella, il fermione composito a sei flussi, espandendo la comprensione dell’effetto Hall quantistico frazionario oltre i noti stati a due e quattro flussi. Questa scoperta significativa ha evidenziato il ruolo fondamentale dei materiali semiconduttori di alta qualità e supporta il progresso della ricerca sulla fisica quantistica.
Il fermione composito a sei flussi: un passo avanti nella fisica topologica degli elettroni
I fisici della Purdue University hanno osservato che i regimi di Hall quantistici frazionari non sono limitati a due o quattro flussi e hanno scoperto l’esistenza di un nuovo tipo di particella emergente, che hanno denominato fermione composito a sei flussi. La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Nature Communications.
Gabor Csathy, Professore e capo del Dipartimento di Fisica e Astronomia presso il Purdue University College of Science, insieme ai Ph.D. studenti Haoyun Huang, Waseem Hussain e Sean Myers, ha condotto questa scoperta dal campus West Lafayette di Purdue. Csathy ha attribuito all’autore principale Huang il merito di aver concepito e condotto le misurazioni.
Tutte le misurazioni a temperature ultra-basse sono state completate nel laboratorio di Fisica di Csathy. Nel suo laboratorio il team ha condotto ricerche sulla fisica elettronica fortemente correlata, a volte definita fisica elettronica topologica.
Se il regime di Hall quantistico frazionario fosse una serie di autostrade, queste avrebbero due o quattro corsie. Il flusso dei fermioni compositi a due o quattro flussi, come le automobili in questo scenario, ha spiegato gli oltre 90 stati Hall quantistici frazionari che si formano in un’ampia varietà di materiali ospiti.
Il fermione composito a sei flussi: scoperta rivoluzionaria del team di Csathy
Le interazioni deboli degli elettroni sono ben stabilite e il comportamento è abbastanza prevedibile. Quando gli elettroni interagiscono debolmente, l’elettrone è comunemente considerato l’elemento costitutivo naturale dell’intero sistema. Ma quando essi interagiscono fortemente, interpretare il comportamento sistemico pensando ai singoli elettroni diventa quasi impossibile.
Csathy ha dichiarato: “Questo si verifica in pochissimi casi, come ad esempio nel regime quantistico frazionario di Hall che studiamo. Per spiegarli, il fermione composito, un elemento fondamentale molto intuitivo, è disponibile in diversi modi. Possono rappresentare un intero sottoinsieme degli stati Hall quantistici frazionari. Ma tutti gli stati completamente sviluppati (cioè topologicamente protetti) potrebbero essere spiegati solo da due tipi di fermioni compositi ovvero quelli a due e quattro flussi.
Csathy ha poi aggiunto: “Qui abbiamo riportato un nuovo stato Hall quantistico frazionario che non può essere spiegato da nessuna di queste idee precedenti! Dobbiamo invece invocare l’esistenza di un nuovo tipo di particella emergente, il cosiddetto fermione composito a sei flussi. La scoperta di nuovi stati Hall quantistici frazionari è già abbastanza scarsa. Tuttavia, la scoperta di una nuova particella emergente nella fisica della materia condensata è davvero rara e sorprendente”.
Il fermione composito a sei flussi: una nuova particella quantistica
Per ora, queste idee verranno utilizzate per espandere la nostra comprensione dell’ordinamento degli stati Hall quantistici frazionari conosciuti in una “tavola periodica”. È particolarmente degno di nota in questo processo il fatto che la particella fermionica composita emergente è unica in quanto l’elettrone cattura sei quanti di flusso magnetico quantizzati, formando il fermione composito più intricato finora conosciuto.
Haoyun Huang, studente di dottorato di Csathy, ha affermato: “La numerologia di questo complicato enigma della fisica ha richiesto molta pazienza. Prendiamo come esempio lo stato frazionario nu=2/3. Poiché 2/3=2/(2* 2 -1), lo stato nu=2/3 appartiene alla famiglia dei due flussi. Allo stesso modo, per lo stato frazionario nu=2/7, 2/7=2/(2* 4 -1), quindi questo stato appartiene alla famiglia dei quattro flussi. Al contrario, gli stati frazionari che abbiamo scoperto sono strettamente correlati a 2/11=2/(2* 6 -1).
Huang ha poi aggiunto: “Prima del nostro lavoro, non era stato osservato alcuno stato Hall quantistico frazionario completamente quantizzato che potesse essere associato al fermione composito a sei flussi. La situazione era completamente diversa sul fronte teorico: l’esistenza di questo tipo di fermione è stata prevista da Jainendra Jain nella sua influente teoria dei fermioni compositi pubblicata nel 1989. Tuttavia, la quantizzazione associata non è stata osservata durante questi 34 anni”.
Il materiale utilizzato in questo studio è stato coltivato da un team dell’Università di Princeton guidato da Loren Pfeiffer. La qualità elettrica dei semiconduttori GaAs ha svolto un ruolo enorme nel successo di questa ricerca. Secondo Csathy, questo gruppo di Princeton è leader mondiale nella coltivazione di materiali a base di GaAs della massima qualità.
Il GaAs coltivato dal team di Csathy ha presentato caratteristiche eccezionali, con un numero di imperfezioni sorprendentemente basso. Questa peculiarità, combinata con l’esperienza del suo laboratorio nella misurazione di temperature ultra-basse, ha reso possibile la realizzazione di questo progetto.
La scelta di analizzare questi campioni è stata motivata dai recenti progressi compiuti dal gruppo di Princeton, che ha migliorato significativamente la qualità del semiconduttore GaAs, riducendo la quantità di difetti presenti. Questi campioni di alta qualità continueranno a rappresentare un terreno fertile per la scoperta di nuovi fenomeni fisici.
Questa entusiasmante scoperta rappresenta un passo avanti significativo nella ricerca condotta dal team di Csathy. Il team, infatti, persegue incessantemente nuove frontiere, dedicandosi con tenacia allo studio della fisica topologica degli elettroni.
