I fisici si imbattono in un materiale esotico composto da bosoni

Le particelle subatomiche sono disponibili in uno di due grandi tipi: fermioni e bosoni. Una delle più grandi distinzioni è nel loro comportamento

I ricercatori hanno scoperto un nuovo stato della materia, che chiamano “isolante correlato bosonico“, un assemblaggio cristallino di particelle bosoniche, in particolare eccitoni.

Prendi un reticolo – una sezione piatta di una griglia di celle uniformi, come una zanzariera o un nido d’ape – e posiziona un altro reticolo simile sopra di esso. Ma invece di cercare di allineare i bordi o le celle di entrambi i reticoli, muovi la griglia superiore in modo da poter vedere parti di quella inferiore attraverso di essa. Questo nuovo, terzo modello è un moiré, ed è tra questo tipo di disposizione sovrapposta di reticoli di diseleniuro di tungsteno e disolfuro di tungsteno che i fisici della UC Santa Barbara hanno trovato alcuni comportamenti materiali interessanti.

Abbiamo scoperto un nuovo stato della materia: un isolante correlato bosonico“, ha affermato Richen Xiong, ricercatore studente laureato nel gruppo del fisico della materia condensata dell’UCSB Chenhao Jin e autore principale di un articolo sulla rivista Science. Secondo Xiong, Jin e collaboratori dell’UCSB, dell’Arizona State University e del National Institute for Materials Science in Giappone, questa è la prima volta che un tale materiale è stato creato in un sistema di materia “reale” (al contrario di quello sintetico). Il materiale unico è un cristallo altamente ordinato di particelle bosoniche chiamate eccitoni.

Convenzionalmente, la ricerca ha speso la maggior parte degli sforzi per capire cosa succede quando si mettono insieme molti fermioni“, ha detto Jin. “La spinta principale del nostro lavoro è che abbiamo sostanzialmente creato un nuovo materiale dai bosoni interagenti“.
Modello moiré
Due impilati con uno leggermente sfalsato creano un nuovo motivo chiamato moiré. Credito: Matt Perko

Le particelle subatomiche sono disponibili in uno di due grandi tipi: fermioni e bosoni. Una delle più grandi distinzioni è nel loro comportamento, come spiega Jin.

I bosoni possono occupare lo stesso livello energetico; ai fermioni, invece, non piace stare insieme“, ha detto. “Insieme, questi comportamenti costruiscono l’universo come lo conosciamo“.

I fermioni, come gli elettroni, sono alla base della materia che ci è più familiare in quanto sono stabili e interagiscono attraverso la forza elettrostatica. Nel frattempo, i bosoni, come i fotoni (particelle di luce), tendono ad essere più difficili da creare o manipolare poiché sono fugaci o non interagiscono tra loro.

Un indizio dei loro comportamenti distinti è nelle loro diverse caratteristiche quantomeccaniche, spiega Xiong. I fermioni hanno “spin” semi-interi come 1/2 o 3/2, mentre i bosoni hanno spin interi interi (1, 2, ecc.). Un eccitone è uno stato in cui un elettrone caricato negativamente (un fermione) è legato al suo “buco” opposto caricato positivamente (un altro fermione), con i due spin semi-interi che insieme diventano un intero intero, creando una particella bosonica.

Per creare e identificare gli eccitoni nel loro sistema, i ricercatori hanno stratificato i due reticoli e li hanno illuminati con forti luci in un metodo che chiamano “spettroscopia con sonda a pompa“. La combinazione di particelle di ciascuno dei reticoli (elettroni del disolfuro di tungsteno e fori del diseleniuro di tungsteno) e la luce ha creato un ambiente favorevole per la formazione e le interazioni tra gli eccitoni, consentendo ai ricercatori di sondare i comportamenti di queste particelle.

E quando questi eccitoni raggiungono una certa densità, non possono più muoversi“, ha detto Jin. Grazie a forti interazioni, i comportamenti collettivi di queste particelle a una certa densità le costringono a uno stato cristallino e creano un effetto isolante dovuto alla loro immobilità.

Quello che è successo qui è che abbiamo scoperto la correlazione che ha spinto i bosoni in uno stato altamente ordinato“, aggiunge Xiong. Generalmente, una raccolta libera di bosoni a temperature ultrafredde formerà un condensato, ma in questo sistema, sia con la luce che con una maggiore densità e interazione a temperature relativamente più elevate, si sono organizzati in un solido simmetrico e un isolante a carica neutra.

La creazione di questo stato esotico della materia dimostra che la piattaforma moiré e la spettroscopia della sonda a pompa dei ricercatori potrebbero diventare un mezzo importante per creare e studiare i materiali bosonici.

Ci sono fasi a molti corpi con fermioni che si traducono in cose come la superconduttività“, spiega Xiong. “Ci sono anche controparti a molti corpi con bosoni che sono anche fasi esotiche. Quindi quello che abbiamo fatto è creare una piattaforma, perché non avevamo davvero un ottimo modo per studiare i bosoni nei materiali reali”. Sebbene gli eccitoni siano ben studiati, aggiunge, fino a questo progetto non avevamo un modo per convincerli a interagire fortemente tra loro.

Con il nuovo metodo, secondo Jin, potrebbe essere possibile non solo studiare particelle bosoniche ben note come gli eccitoni, ma anche aprire più finestre sul mondo della materia condensata con nuovi materiali bosonici.

Sappiamo che alcuni materiali hanno proprietà bizzarre“, dice. “E uno degli obiettivi della fisica della materia condensata è capire perché hanno queste ricche proprietà e trovare modi per far emergere questi comportamenti in modo più affidabile”.

Fonte : Science

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