Forse abbiamo scoperto per caso una nuova particella quantistica

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particella
(illustrazione: Princeton University)

I metalli e gli isolanti sono molto diversi. Fin qui non c’è alcun dubbio. O forse sì: un team di fisici della Princeton University, infatti, hanno appena osservato uno strano comportamento quantistico in un isolante, ritenuto finora unico e distintivo dei metalli. Una scoperta, spiegano i ricercatori nel nuovo studio pubblicato su Nature, che potrebbe suggerire l’esistenza di un nuovo tipo di particella quantistica, chiamata fermione neutro.

Ma di quale comportamento si tratta? Partiamo dal fatto che i metalli conducono elettricità, mentre gli isolanti no. A livello molecolare, questo viene spiegato dalla libertà di movimento degli elettroni: nei metalli, infatti, questa particella è mobile, mentre gli isolanti hanno un’elevata resistenza che le impedisce di muoversi molto. Per questo motivo, i metalli possono mostrare un fenomeno noto come oscillazioni quantistiche, che si verificano quanto questi materiali vengono esposti a un campo magnetico a temperature molto basse e gli elettroni possono spostarsi in uno stato quantistico che fa oscillare la resistività elettrica (ossia la resistenza alla conduzione elettrica).

Un fenomeno considerato finora unico dei metalli. Il nuovo studio, infatti, ha osservato per la prima volta queste oscillazioni quantistiche anche in un isolante. Lavorando con uno specifico materiale, il ditellururo di tungsteno, che si comporta come un metallo e diventa un isolante molto forte quando viene ridotto a un monostrato (uno strato sottile a singolo atomo), i ricercatori hanno osservato che, se esposto a un campo magnetico, passa a uno stato quantistico e inizia a oscillare. “Questa è stata una sorpresa”, commenta l’autore Sanfeng Wu. “Ci siamo chiesti cosa stesse succedendo, ma ancora non siamo riusciti a capirlo”.

Questo comportamento, infatti, è del tutto anomalo e non può essere spiegato dalle attuali teorie. I ricercatori, così, hanno avanzato la prima ipotesi: a oscillare non sarebbero gli elettroni, ma piuttosto sono le forti interazioni che potrebbero creare nuove particelle quantistiche. E, dato che gli isolanti impediscono alle particelle cariche, come appunto gli elettroni, di muoversi liberamente, la nuova particella dovrebbe avere una carica neutra. Questi ipotetici fermioni neutri, quindi, potrebbero mostrare le oscillazioni quantistiche osservate dai ricercatori. “Questo è solo il punto di partenza”, ha concluso Wu. “Se abbiamo ragione, i ricercatori troveranno altri isolanti con questa sorprendente proprietà quantistica”.

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