Le quasiparticelle di Landau diventano realtà

Un elettrone che si muove attraverso un solido genera una polarizzazione nel suo ambiente a causa della sua carica elettrica. Il fisico russo Lev Landau ha esteso, nelle sue considerazioni tecniche, tali particelle alla loro interazione con l’ambiente e ha parlato di quasiparticelle.

Oltre dieci anni fa il team coordianto da Rudolf Grimm, dell’Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica (IQQOI) dell’Accademia austriaca delle scienze (ÖAW) e del Dipartimento di fisica sperimentale dell’Università di Innsbruck, è riuscito a generare quasiparticelle per interazioni sia attrattice che repulsive con l’ambiente.

Gli scienziati, per questo scopo, hanno utilizzato un gas quantistico ultrafreddo costituito da atomi di litio e potassio in una camera a vuoto. Con l’aiuto dei campi magnetici hanno controllato le interazioni tra le particelle e, mediante impulsi a radiofrequenza, spinto gli atomi di potassio in uno stato in cui attraggono o respingono gli atomi di litio che li circondano. In questo modo i ricercatori hanno simulato uno stato complesso simile a quello prodotto allo stato solido da un elettrone libero.

L’importanza dei solidi

Ora, gli scienziati guidati da Rudolf Grimm sono stati in grado di generare diverse quasiparticelle contemporaneamente nel gas quantistico e di osservare le loro interazioni tra loro.

Il fisico sperimentale ha affermato tramite alcune dichiarazioni riportate da SciTechDaily: “In un’idea ingenua si potrebbe supporre che i polaroni si attraggano sempre a vicenda, indipendentemente dal fatto che la loro interazione con l’ambiente sia attrattiva o repulsiva. Tuttavia, questo non è il caso. Vediamo l’interazione attrattiva nei polaroni bosonici, l’interazione repulsiva nei polaroni fermionici. Qui, la statistica quantistica gioca un ruolo cruciale”.

La teoria di Landau 

I ricercatori sono stati ora in grado di dimostrare per la prima volta in un esperimento questo comportamento, che in linea di principio è già una conseguenza della teoria di Landau.

I calcoli teorici sono stati eseguiti da colleghi provenienti da Messico, Spagna e Danimarca. “Per implementare questo in laboratorio sono state necessarie elevate capacità sperimentali”, spiega Cosetta Baroni, prima autrice dello studio, “perché anche le più piccole deviazioni avrebbero potuto distorcere le misurazioni”. Grimm ha affermato entusiasta: “Tali indagini ci forniscono informazioni sui meccanismi fondamentali della natura e ci offrono eccellenti opportunità per studiarli in dettaglio”.

Cosa sono le quasiparticelle?

Le quasiparticelle sono una classe di concetti teorici ampiamente utilizzati in fisica per descrivere il comportamento di particelle “virtuali” o “effettive” in un materiale. Queste particelle emergono come una convenienza teorica per comprendere il comportamento collettivo di un gran numero di particelle in modo simile alle particelle libere o alle particelle elementari. Di seguito, troverai una ricerca dettagliata sulle quasiparticelle.

Definizione dettagliata

Le quasiparticelle sono particelle che emergono all’interno di un sistema complesso, come un solido, un fluido o un plasma, in risposta all’interazione tra le particelle costituenti. Sono considerate “quasi” particelle perché non sono necessariamente le particelle fondamentali del sistema, ma piuttosto descrivono modi di eccitazione collettiva che possono sembrare comportarsi come particelle indipendenti. 

Ce ne sono di vari tipi

Ci sono molte diverse tipologie di quasiparticelle, a seconda del sistema fisico considerato. Alcuni esempi comuni includono:

Eccitoni: Sono legati a stati di eccitazione degli elettroni in un cristallo, in cui un elettrone “lega” un fotone (quanto di luce) e forma una particella carica negativa carica positiva. Gli eccitoni sono importanti in semiconduttori e superconduttori.

Fononi: Sono quanti di vibrazione reticolare all’interno di un solido. Rappresentano modi di eccitazione della struttura cristallina e sono importanti per comprendere la conduttività termica e le transizioni di fase nei solidi.

Plasmoni: Sono oscillazioni dei portatori di carica (elettroni) in un conduttore. Sono responsabili di fenomeni come l’effetto superficiale di risonanza plasmonica e sono importanti nella plasmonica e nell’ottica.

Solitoni: Sono onde localizzate o “pacchetti” di energia che possono muoversi attraverso un mezzo. Possono svolgere un ruolo importante in fenomeni di trasporto e conduzione in vari sistemi fisici.

Magnoni: Come spiega Wikipedia si tratta di eccitazioni collettive in un solido cristallino. Possono avere effetti importanti sulla propagazione delle onde magnetiche e sulla magnetizzazione dei materiali.

Fonte: Nature Physics