Per molti anni, la comunità della fisica della materia condensata ha cercato di ottenere una migliore comprensione dei sistemi materiali costituiti da particelle fortemente interagenti. interessante, molti metalli possono essere descritti come sistemi con elettroni che interagiscono effettivamente debolmente, anche se le interazioni tra gli elettroni sono tipicamente piuttosto forti.

Gli elettroni hanno una carica e quando interagiscono con altri elettroni, si influenzano a vicenda. Ciò nonostante, per una serie di motivi, nei metalli queste interazioni cambiano semplicemente parametri specifici (ad es. la massa efficace dell'elettrone), ma non influenzano la struttura sottostante del sistema, che si comporta come se contenesse ancora elettroni liberi (cioè, elettroni che non sono attaccati ad atomi o molecole e possono quindi rispondere a forze esterne). Questa osservazione è stata teoricamente inquadrata nel contesto della cosiddetta "teoria del liquido di Landau Fermi".

Ricercatori dell'Università dell'Illinois, Università John Hopkins, Il CUNY College di Staten Island e l'Università del Colorado Boulder hanno recentemente utilizzato una nuova tecnica sviluppata per studiare la possibilità che un sistema di elettroni fortemente disordinato e altamente correlato e disordinato (cioè, silicio drogato con fosforo) potrebbe essere mappato su un sistema di eccitazioni non interagenti e localizzate. I loro esperimenti alla fine hanno portato all'osservazione di un fenomeno unico che hanno soprannominato il vetro marginale di Fermi.

Lo studio di questi ricercatori si basa anche sul lavoro di Phil Anderson, che vinse il premio Nobel nel 1977 dopo aver dimostrato che le onde non potevano propagarsi in sistemi con casualità sufficientemente forte. Questo generico fenomeno ondulatorio, ora noto come localizzazione Anderson, si applica a molti tipi di onde, compreso acustico, onde elettromagnetiche e di materia neutra.

Nel passato, alcuni teorici hanno suggerito che la localizzazione di Anderson si applica anche alle onde elettroniche (cioè, le onde all'interno delle quali si propagano gli elettroni, nell'ambito della meccanica quantistica). Ciò nonostante, la validità di questa previsione non è stata ancora confermata, soprattutto dato che gli elettroni interagiscono tra loro fortemente a causa della loro carica.

"Le onde di elettroni che interagiscono fortemente possono certamente essere localizzate dal disordine, ma non è chiaro se lo facciano in modo coerente con la localizzazione di Anderson, "Pietro Armitage, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Le interazioni sono forti in un isolante, ma la questione essenziale è se siano effettivamente irrilevanti o meno, come in molti metalli. Il nostro lavoro mostra, per la prima volta, che non sono irrilevanti".

Essenzialmente, Armitage, Fahad Mahmood e i loro colleghi hanno scoperto la prima prova sperimentale che suggerisce che la localizzazione di Anderson non si applica alle onde degli elettroni. Per condurre i loro esperimenti, hanno usato una nuova tecnica da loro sviluppata chiamata spettroscopia coerente THz 2-D. Questa tecnica si basa sui recenti progressi della tecnologia THz, che ha permesso la generazione di campi elettrici di gamma molto ampia di THz.

I grandi campi generati dalle nuove tecnologie THz consentono agli scienziati di raccogliere misurazioni delle non linearità ottiche THz. Utilizzando la spettroscopia coerente THz 2-D, i ricercatori hanno cercato la firma delle interazioni tra gli elettroni semplicemente cercando la firma delle interazioni efficaci tra i fotoni THz che hanno usato.

"Quando un sistema fisico è eccitato, una parte di quell'energia lascia sempre il sistema, " ha spiegato Armitage. "A causa del fatto che le interazioni sono solo debolmente percepite nella maggior parte dei metalli, in questi materiali, questo tasso è molto piccolo. Però, usando la spettroscopia THz 2-D abbiamo scoperto che in questi materiali la velocità non è piccola, ed è, infatti, proporzionale alla frequenza utilizzata per eccitare il sistema."

I risultati suggeriscono che le eccitazioni nel silicio drogato con fosforo e potenzialmente in altri sistemi simili non possono essere considerate "debolmente interagenti". non ci sono prove a sostegno di una descrizione non interattiva. D'altra parte, hanno scoperto che ci sono interazioni in questi sistemi isolanti, ma che la loro forza è semplicemente proporzionale alla frequenza impiegata per eccitarli.

"La fenomenologia che abbiamo osservato può essere descritta con il termine 'liquido di Fermi marginale, " uno stato che è stato proposto di esistere in materiali come lo stato normale dei superconduttori cuprati, la cui comprensione ancora ci sfugge, " disse Armitage.

Il recente studio condotto da questo team di ricercatori mostra chiaramente che il silicio drogato dovrebbe essere descritto come un sistema intrinsecamente fortemente interattivo. Nel futuro, questa scoperta cruciale potrebbe ispirare altri team a condurre esperimenti simili, che potrebbe in definitiva ampliare l'attuale comprensione di altri sistemi di elettroni disordinati, come i superconduttori cuprati.

"Ora stiamo applicando la stessa tecnica utilizzata nel nostro studio ad altri materiali quantistici interessanti, come i liquidi a spin quantistico, ma stiamo lavorando anche per avere maggiori informazioni sul vetro marginale di Fermi, " disse Armitage. "Per quanto riguarda il comportamento che abbiamo riscontrato, c'è molto da capire anche teoricamente. Speriamo che i teorici utilizzino costrutti teorici sofisticati per affrontare questo comportamento".

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