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    Sbirciando in un mondo di materiali spin-3/2

    In un materiale, la quantità di moto e l'energia di un elettrone sono legate insieme da una "relazione di dispersione" (nella foto sopra). Questa relazione influenza il comportamento degli elettroni, a volte facendoli comportare come particelle con proprietà quantistiche diverse. Credito:Igor Boettcher/Università del Maryland

    I ricercatori hanno spinto le frontiere del mondo quantistico per oltre un secolo. E di volta in volta, lo spin è stata una ricca fonte di nuova fisica.

    Rotazione, come massa e carica elettrica, è una proprietà intrinseca delle particelle quantistiche. È fondamentale capire come gli oggetti quantistici risponderanno a un campo magnetico, e divide tutti gli oggetti quantistici in due tipi. I semi interi, come l'elettrone con spin 1/2, rifiutare di condividere lo stesso stato quantico, mentre quelli interi, come il fotone spin-1, non hanno problemi a stare insieme. Così, lo spin è essenziale quando si approfondisce praticamente qualsiasi argomento governato dalla meccanica quantistica, dal bosone di Higgs ai superconduttori.

    Eppure, dopo quasi un secolo in cui ha giocato un ruolo centrale nella ricerca quantistica, rimangono le domande sullo spin. Per esempio, perché tutte le particelle elementari che conosciamo hanno solo valori di spin pari a 0, 1/2, o 1? E quali nuovi comportamenti potrebbero esistere per particelle con valori di spin maggiori di 1?

    La prima domanda può rimanere un mistero cosmico, ma ci sono opportunità per esplorare il secondo. All'interno di un materiale, l'ambiente circostante di una particella può farla comportare come se avesse un nuovo valore di spin. Negli ultimi due anni, i ricercatori hanno scoperto materiali in cui gli elettroni si comportano come se il loro spin fosse stato aumentato, da 1/2 a 3/2. Il ricercatore postdottorato JQI Igor Boettcher ha esplorato i nuovi comportamenti che questi spin potrebbero produrre in un recente articolo apparso sulla copertina di Physical Review Letters.

    Invece di guardare un materiale particolare, Boettcher si è concentrato sulla matematica che descrive le interazioni tra gli elettroni di spin-3/2 a basse temperature. Questi elettroni possono interagire in più modi rispetto alle loro comuni controparti con spin 1/2, che sblocca nuove fasi, o comportamenti collettivi, che i ricercatori possono cercare negli esperimenti. Boettcher ha vagliato le possibili fasi, cercando quelli che potrebbero essere stabili alle basse temperature. Ha osservato quali fasi legano la minor energia nelle interazioni, poiché al diminuire della temperatura un materiale diventa più stabile nella forma contenente la minor energia (come il vapore che si condensa in acqua liquida e infine si congela in ghiaccio).

    Ha trovato tre fasi promettenti da cercare negli esperimenti. Quale di queste fasi, se del caso, sorgere in un particolare materiale dipenderà dalle sue proprietà uniche. Ancora, Le previsioni di Boettcher forniscono ai ricercatori segnali da tenere d'occhio durante gli esperimenti. Se si forma una delle fasi, prevede che le comuni tecniche di misurazione riveleranno un cambiamento caratteristico delle proprietà elettriche.

    Il lavoro di Boettcher è un primo passo nell'esplorazione dei materiali spin-3/2. Spera che un giorno il campo possa essere paragonabile a quello del grafene, con i ricercatori che corrono costantemente per esplorare nuova fisica, produrre materiali di migliore qualità, e identificare nuove proprietà di trasporto.

    "Spero davvero che questo si svilupperà in un grande campo, il che richiederà sia agli sperimentali che ai teorici di fare la loro parte in modo che possiamo davvero imparare qualcosa sulle particelle di spin-3/2 e su come interagiscono." dice Boettcher. "Questo è davvero solo l'inizio in questo momento, perché questi materiali sono appena saltati fuori".


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