Da decenni i fisici cercano i gravitoni, le ipotetiche particelle che dovrebbero mediare la forzza di gravità.
I gravitoni non sono ancora mai stati rilevati ma particelle simili a ciò che pensiamo siano i gravitoni sono state ora osservate in un semiconduttore. Studiare queste particelle per comprendere il comportamento dei gravitoni potrebbe aiutare a unire la teoria generale della relatività e la meccanica quantistica.
“Questa scoperta è come avere trovato un ago in un pagliaio. E lo studio che ha dato il via a tutto questo risale al lontano 1993”, afferma Loren Pfeiffer dell’Università di Princeton. Pfeiffer ha scritto quell’articolo con diversi colleghi tra cui Aron Pinczuk, morto nel 2022, prima che venissero trovate tracce di queste sfuggenti particelle.
Gli studenti e i collaboratori di Pinczuk, compreso Pfeiffer, hanno ora completato l’esperimento di cui i due iniziarono a discutere 30 anni fa. Si sono concentrati sugli elettroni all’interno di un pezzo piatto del semiconduttore arseniuro di gallio, che hanno posizionato in un potente frigorifero ed esposto a un forte campo magnetico. In queste condizioni, gli effetti quantistici fanno sì che gli elettroni si comportino in modo strano: interagiscono fortemente tra loro e formano un insolito liquido incomprimibile.
Questo liquido non è calmo ma presenta moti collettivi in cui tutti gli elettroni si muovono di concerto, il che può dare origine ad eccitazioni di tipo particellare. Per esaminare quelle eccitazioni, il team ha puntato un laser attentamente sintonizzato sul semiconduttore e ha analizzato la luce che si diffondeva da esso.
Ciò ha rivelato che l’eccitazione aveva una sorta di rotazione quantistica che è stata teorizzata solo nei gravitoni. Sebbene non si tratti di un gravitone di per sé, è la cosa più vicina che abbiamo visto.
Ziyu Liu della Columbia University di New York, che ha lavorato all’esperimento, afferma che lui e i suoi colleghi sapevano che nel loro semiconduttore potevano esistere eccitazioni simili a quelle gravitoniche, ma ci sono voluti anni per rendere l’esperimento abbastanza preciso da rilevarle. “Dal punto di vista teorico, la storia era abbastanza completa, ma negli esperimenti non ne eravamo davvero sicuri“, dice.
L’esperimento non è un vero analogo allo spazio-tempo: gli elettroni sono confinati in uno spazio piatto e bidimensionale e si muovono più lentamente degli oggetti governati dalla teoria della relatività.
Ma è una scoperta “estremamente importante” che collega diversi rami della fisica, come la fisica dei materiali e le teorie della gravità, in un modo precedentemente sottovalutato, afferma Kun Yang della Florida State University, che non è stato coinvolto nel lavoro.
Il fisico che cerca i gravitoni negli arcobaleni gravitazionali
Tuttavia, Zlatko Papic dell’Università di Leeds, nel Regno Unito, mette in guardia dall’equiparare la nuova scoperta al rilevamento di gravitoni nello spazio. Dice che i due sono sufficientemente equivalenti affinché i sistemi elettronici come quelli del nuovo esperimento diventino terreni di prova per alcune teorie della gravità quantistica, ma non per ogni singolo fenomeno quantistico che accade nello spazio-tempo su scala cosmica.
Le connessioni tra queste particelle eccitate ed i gravitoni teorici sollevano anche nuove idee sugli stati esotici degli elettroni, ha affermato il membro del team Lingjie Du dell’Università di Nanchino in Cina.
Fonte: Nature DOI: 10.1038/s41586-024-07201-w
