Un nuovo stato della materia: i fermioni quadrupli

Il principio centrale della superconduttività è che gli elettroni formano coppie. Ma possono anche condensarsi in quartetti? Recenti scoperte hanno suggerito che è possibile, e un fisico del KTH Royal Institute of Technology ha pubblicato la prima prova sperimentale di questo effetto quadruplicante e del meccanismo con cui si verifica questo stato della materia.

Pubblicato sulla rivista Nature Physics, il professor Egor Babaev e i suoi collaboratori hanno presentato prove del quadruplicamento dei fermioni in una serie di misurazioni sperimentali sul materiale a base di ferro, Ba _1−x K _x Fe ₂ As ₂. I risultati seguono quasi 20 anni dopo che Babaev aveva predetto per la prima volta questo tipo di fenomeno e otto anni dopo aver pubblicato un articolo che prevedeva che potesse verificarsi nel materiale.

Esperimenti sul nuovo stato della materia

L’accoppiamento degli elettroni consente lo stato quantistico di superconduttività, uno stato di conduttività a resistenza zero che viene utilizzato negli scanner MRI e nell’informatica quantistica. Si verifica all’interno di un materiale come risultato del legame di due elettroni anziché respingersi l’un l’altro, come farebbero nel vuoto. Il fenomeno è stato descritto per la prima volta in una teoria da Leon Cooper, John Bardeen e John Schrieffer, il cui lavoro è stato insignito del Premio Nobel nel 1972.

Le cosiddette coppie di Cooper sono fondamentalmente “opposti che si attraggono”. Normalmente due elettroni, che sono particelle subatomiche caricate negativamente, si respingono fortemente l’un l’altro. Ma a basse temperature in un cristallo si legano liberamente a coppie, dando origine a un robusto ordine a lungo raggio. Le correnti di coppie di elettroni non si disperdono più da difetti e ostacoli e un conduttore può perdere tutta la resistenza elettrica, diventando un nuovo stato della materia: un superconduttore.

Solo negli ultimi anni l’idea teorica dei condensati di quattro fermioni è stata ampiamente accettata.

Perché si verifichi uno stato di quadruplicazione dei fermioni, deve esserci qualcosa che impedisca la condensazione delle coppie e impedisca il loro flusso senza resistenza, mentre consente la condensazione dei compositi a quattro elettroni, dice Babaev.

La teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer non consentiva tale comportamento, quindi quando il collaboratore sperimentale di Babaev presso la Technische Universtät Dresden, Vadim Grinenko, ha trovato nel 2018 i primi segni di un condensato quadruplicato di fermioni, ha messo in discussione anni di prevalente accordo scientifico.

Quello che seguì furono tre anni di sperimentazione e indagine nei laboratori di più istituzioni per convalidare la scoperta.

Babaev afferma che la chiave tra le osservazioni fatte è che i condensati quadrupli fermionici rompono spontaneamente la simmetria di inversione del tempo. In fisica la simmetria di inversione del tempo è un’operazione matematica di sostituzione dell’espressione per il tempo con il suo negativo in formule o equazioni in modo che descrivano un evento in cui il tempo scorre all’indietro o tutti i movimenti sono invertiti.

Se si inverte la direzione del tempo, le leggi fondamentali della fisica restano valide. Ciò vale anche per i tipici superconduttori: se la freccia del tempo è invertita, un tipico superconduttore sarebbe ancora lo stesso stato superconduttore.

“Tuttavia, nel caso di un condensato di quattro fermioni che riportiamo, l’inversione temporale lo mette in uno stato diverso”, afferma.

“Probabilmente ci vorranno molti anni di ricerca per comprendere appieno questo stato”, dice. “Gli esperimenti aprono una serie di nuove domande, rivelando una serie di altre proprietà insolite associate alla sua reazione a gradienti termici, campi magnetici e ultrasuoni che devono ancora essere meglio comprese”.