Scoperta materia esotica: i fisici si imbattono in un materiale composto da bosoni

Di University of California - Santa Barbara11 giugno 2023

Gli scienziati hanno scoperto un nuovo stato della materia, chiamato “isolante bosonico correlato”, attraverso l’interazione di particelle bosoniche chiamate eccitoni. Questa ricerca potrebbe aprire la strada a nuove comprensioni nella fisica della materia condensata e alla creazione di nuovi materiali bosonici.

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

Prendi un reticolo - una sezione piatta di una griglia di celle uniformi, come la zanzariera di una finestra o un nido d'ape - e posiziona sopra un altro reticolo simile. Ma invece di cercare di allineare i bordi o le celle di entrambi i reticoli, ruota 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 dell'UC Santa Barbara hanno trovato alcuni comportamenti interessanti dei materiali.

“Abbiamo scoperto un nuovo stato della materia: un isolante correlato bosonico”, ha detto Richen Xiong, uno studente ricercatore 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 dell’Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali in Giappone, questa è la prima volta che un materiale del genere viene creato in un sistema di materia “reale” (in contrapposizione a quella sintetica). Il materiale unico è un cristallo altamente ordinato di particelle bosoniche chiamate eccitoni.

"Convenzionalmente, le persone hanno dedicato la maggior parte dei loro sforzi a capire cosa succede quando si mettono insieme molti fermioni", ha detto Jin. “L’obiettivo principale del nostro lavoro è che fondamentalmente abbiamo creato un nuovo materiale a partire dall’interazione dei bosoni”.

Due impilati con uno leggermente sfalsato creano un nuovo motivo chiamato moiré. Credito: Matt Perko

Le particelle subatomiche sono disponibili in due grandi tipi: fermioni e bosoni. Una delle maggiori differenze sta nel loro comportamento, ha detto Jin.

“I bosoni possono occupare lo stesso livello energetico; Ai fermioni 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 con cui abbiamo più familiarità poiché 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 sui loro comportamenti distinti è nelle loro diverse caratteristiche quantomeccaniche, ha spiegato Xiong. I fermioni hanno “spin” semiinteri 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 carico negativamente (un fermione) è legato al suo “buco” opposto caricato positivamente (un altro fermione), con i due spin semiinteri che insieme diventano un intero intero, creando una particella bosonica.

Il Jin Lab, da sinistra a destra: Tian Xie, Richen Xiong, Chenhao Jin, Samuel L. Brantly. Credito Sonia Fernandez

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

"E quando questi eccitoni raggiungevano una certa densità, non potevano più muoversi", ha detto Jin. Grazie alle interazioni forti, i comportamenti collettivi di queste particelle ad una certa densità le costringevano ad uno stato cristallino e creavano un effetto isolante dovuto alla loro immobilità.

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