Ecco gli anioni, le quasi-particelle più piccole dell’elettrone

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anioni
(immagine: Getty Images)

Eravate convinti che ogni particella elementare nell’Universo fosse o un bosone o un fermione? Sembra proprio dobbiate ricredervi. Grazie a un dispositivo elettronico 2D, il team di Michael J. Manfra ha ottenuto la prova (la migliore finora) dell’esistenza degli anioni, quasi-particelle che non sono né bosoni né fermioni, ma una via di mezzo. E sono caratterizzati da una carica più piccola di quella dell’elettrone. Insomma, nonostante siano stati teorizzati più di 40 anni fa, sono qualcosa di talmente strano che anche gli esperti fino a questo momento hanno faticato a crederci. Eppure potrebbero essere la base per i futuri computer quantistici.

Né bosoni né fermioni

I fisici classificano il mondo in tre dimensioni in bosoni e fermioni. Tra le tante differenze c’è il fatto che più bosoni (per esempio i fotoni) possono stare nello stesso stato quantico, mentre i fermioni (per esempio gli elettroni) rispondono al principio di esclusione di Pauli e non se ne possono avere due nel medesimo stato.

Passando ai sistemi in due dimensioni, però, le cose cambiano: non ci sono più solo bosoni e fermioni, ma anche gli anioni – un qualcosa che obbedisce al principio di esclusione ma non troppo, come se fluttuasse tra la natura di fermione e quella di bosone.

Quasi-particelle

L’esistenza degli anioni è stata teorizzata una quarantina di anni fa, ma dovevano essere qualcosa di talmente strano che i fisici stessi erano scettici. Tuttavia non è passato molto tempo che i ricercatori hanno cominciato a produrre prove della loro effettiva esistenza.

Sebbene nessuno metta in dubbio che l’elettrone sia una particella elementare indivisibile, i fisici hanno osservato che in certi solidi (metalli e semiconduttori) bidimensionali posti in determinate condizioni è possibile registrare una corrente trasportata non da elettroni, ma da qualcosa che ha una carica pari a un terzo di quella dell’elettrone. Questo qualcosa sono delle quasi-particelle chiamate cariche frazionarie, generate dal comportamento collettivo degli elettroni nel reticolo cristallino del solido.

La prova definitiva?

Nel tempo diversi gruppi hanno condotto esperimenti volti a dimostrare inconfutabilmente la presenza degli anioni, ma benché le prove si accumulassero non ce n’era nessuna che potesse essere considerata la cosiddetta pistola fumante.

Il team di Michael J. Manfra, oggi, crede di averla prodotta. Come illustrano in questo articolo, ancora in preprint, gli scienziati hanno allestito un sistema elettronico in 2D sottoposto a condizioni di temperatura molto basse e a un forte campo elettromagnetico, per creare uno stato della materia chiamato isolante Fqh (Fractional Quantum Hall). Qui nessuna corrente elettrica può correre all’interno del dispositivo ma solo lungo i bordi. E’ così che hanno misurato le cariche frazionarie e, variando le condizioni dell’esperimento, hanno constatato che si tratta di anioni: le loro funzioni d’onda producevano infatti il modello predetto dalla teoria.

Verso nuovi computer quantistici

Le teorie su come gli anioni possano essere utilizzati come piattaforma per i computer quantistici abbondano. Le cariche frazionarie infatti avrebbero caratteristiche topologiche che le renderebbero meno soggette a errori nel calcolo quantistico, ma per sviluppare simili dispositivi occorreranno conoscenze e tecnologie più sofisticate – tant’è che solo Microsoft ha investito in questo ramo della ricerca, mentre aziende come Ibm e Google perseguono approcci diversi.

In ogni caso per i fisici teorici gli anioni si prospettano affascinanti ed esotici al pari dell’ormai famoso bosone di Higgs.

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