I ricercatori hanno scoperto nuovi fenomeni nello studio degli effetti Hall quantistici frazionari. I loro esperimenti, condotti in condizioni estreme, hanno rivelato stati inaspettati della materia, sfidando le teorie esistenti e aprendo la strada a progressi nell’informatica quantistica e nella scienza dei materiali.
Una nuova fisica emerge negli effetti Hall quantistici frazionari
Immaginate una pianura bidimensionale, invece del nostro mondo tridimensionale, dove le regole della fisica vengono capovolte e particelle come gli elettroni sfidano le aspettative per rivelare nuovi segreti. Questo è esattamente ciò che un team di ricercatori, tra cui il professore di fisica della Georgia State University Ramesh G. Mani e il neolaureato U. Kushan Wijewardena, hanno studiato nei laboratori della Georgia State.
I loro studi hanno portato a una scoperta pubblicata di recente sulla rivista Communications Physics. Il team si è immerso nell’enigmatico mondo degli effetti Hall quantistici frazionari (FQHE), scoprendo fenomeni nuovi e inaspettati quando questi sistemi vengono esplorati in modi nuovi e spinti oltre i loro confini abituali.
Mani h dichiarato: “La ricerca sugli effetti Hall quantistici frazionari è stata un obiettivo importante della moderna fisica della materia condensata per decenni perché le particelle in flatlandia possono avere personalità multiple e possono esibire una personalità dipendente dal contesto su richiesta. Le nostre ultime scoperte ampliano i confini di questo campo, offrendo nuove intuizioni su questi sistemi complessi”.
L’effetto Hall quantistico è stato un’area vibrante e fondamentale nella fisica della materia condensata sin dal 1980, quando Klaus von Klitzing ha riferito la sua scoperta che una semplice misurazione elettrica poteva fornire valori molto accurati per alcune costanti fondamentali che determinano il comportamento del nostro universo. Questa scoperta gli è valsa il premio Nobel nel 1985.
Nel 1998, è stato assegnato un premio Nobel per la scoperta e la comprensione dell’effetto Hall quantistico frazionario, che ha suggerito che le particelle di flatlandia possono avere cariche frazionarie. Il viaggio è proseguito con la scoperta del grafene, un materiale che ha mostrato la possibilità di elettroni senza massa in flatlandia, portando a un altro premio Nobel nel 2010.
Le teorie sulle nuove fasi della materia, legate all’effetto Hall quantistico, infine, sono state riconosciute con il Premio Nobel nel 2016.
Innovazioni negli effetti Hall quantistici frazionari
La fisica della materia condensata ha dato origine a scoperte che hanno reso possibile l’elettronica moderna come cellulari, computer, GPS, illuminazione a LED, celle solari e persino auto a guida autonoma. La scienza e i materiali flatland sono ora studiati nella fisica della materia condensata con l’obiettivo di realizzare un’elettronica futura più efficiente dal punto di vista energetico, flessibile, veloce e leggera, tra cui nuovi sensori, celle solari ad alta efficienza, computer quantistici e computer quantistici topologici.
In una serie di esperimenti in condizioni di freddo estremo, vicine a -459°F (-273°C) e sotto un campo magnetico quasi 100.000 volte più forte di quello terrestre, Mani, Wijewardena e colleghi si sono messi al lavoro. Essi hanno applicato una corrente supplementare a dispositivi semiconduttori ad alta mobilità realizzati con una struttura a sandwich di materiali di arseniuro di gallio (GaAs) e arseniuro di gallio alluminio (AlGaAs), che aiuta a realizzare elettroni in una pianura.
Hanno osservato successivamente tutti gli stati FQHE dividersi inaspettatamente, seguiti da incroci di rami divisi, che hanno permesso loro di esplorare i nuovi stati di non equilibrio di questi sistemi quantistici e rivelare stati della materia completamente nuovi.
Lo studio ha evidenziato il ruolo cruciale dei cristalli di alta qualità, prodotti presso l’Istituto federale svizzero di tecnologia di Zurigo dal professor Werner Wegscheider e dal dottor Christian Reichl, nel successo di questa ricerca.
Nuove frontiere negli effetti Hall quantistici frazionari
Mani ha spiegato: “Pensate allo studio tradizionale degli effetti Hall quantistici frazionari come all’esplorazione del piano terra di un edificio. Il nostro studio riguarda la ricerca e la scoperta dei piani superiori, quei livelli emozionanti e inesplorati, e la scoperta del loro aspetto. Sorprendentemente, con una tecnica semplice, siamo stati in grado di accedere a questi piani superiori e scoprire firme complesse degli stati eccitati”.
Wijewardena, che ha conseguito il dottorato di ricerca in fisica presso la Georgia State lo scorso anno e ora è membro della facoltà del Georgia College and State University di Milledgeville, ha espresso il suo entusiasmo per il suo lavoro.
Egli ha affermato: “Lavoriamo su questi fenomeni da molti anni, ma questa è la prima volta che abbiamo riportato queste scoperte sperimentali sul raggiungimento di stati eccitati di stati Hall quantistici frazionari indotti applicando una polarizzazione a corrente continua. I risultati sono affascinanti e ci è voluto un bel po’ di tempo per avere una spiegazione fattibile per le nostre osservazioni”.
Supportato dalla National Science Foundation e dall’Army Research Office, lo studio sugli effetti hall quantistici frazionari non solo sfida le teorie esistenti, ma suggerisce anche un’origine ibrida per gli FQHE di stato eccitato non in equilibrio osservati. Questo approccio innovativo e i risultati inaspettati evidenziano il potenziale per nuove scoperte nel campo della fisica della materia condensata, ispirando la ricerca futura e i progressi tecnologici.
Le implicazioni delle scoperte del team si estendono ben oltre il laboratorio, suggerendo potenziali intuizioni per il calcolo quantistico e la scienza dei materiali. Esplorando questi territori, i ricercatori stanno gettando le basi, e formando nuove generazioni di studenti, per le tecnologie future che potrebbero rivoluzionare tutto, dall’elaborazione dei dati all’efficienza energetica, potenziando al contempo l’economia high-tech.
Mani, Wijewardena e il loro team stanno ora estendendo i loro studi sugli effetti hall quantistici frazionari a condizioni ancora più estreme, esplorando nuovi metodi per misurare parametri di pianura difficili. Mentre vanno avanti, prevedono di scoprire ulteriori sfumature in questi sistemi quantistici, contribuendo con preziose intuizioni al campo. Con ogni esperimento, il team si avvicina alla comprensione dei comportamenti complessi in gioco, rimanendo aperto alla possibilità di nuove scoperte lungo il percorso.
