Il team di ricerca guidato dall'ORNL ha selezionato un cristallo composto da bromuro di rame, poiché lo ione rame è ideale per studiare gli effetti quantistici esotici, per osservare l'elusiva modalità di ampiezza di Higgs in due dimensioni. Il campione è stato esaminato utilizzando fasci di spettrometri a tre assi di neutroni freddi per la diffusione di neutroni presso il reattore isotopico ad alto flusso. Credito:Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory/Dip. di energia
Un team guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha utilizzato sofisticate tecniche di diffusione di neutroni per rilevare uno stato quantico sfuggente noto come modalità di ampiezza di Higgs in un materiale bidimensionale.
La modalità di ampiezza di Higgs è un cugino di materia condensata del bosone di Higgs, la leggendaria particella quantistica teorizzata negli anni '60 e dimostrata sperimentalmente nel 2012. È uno dei tanti bizzarri, modi collettivi della materia trovati nei materiali a livello quantistico. Studiando queste modalità, i ricercatori sulla materia condensata hanno recentemente scoperto nuovi stati quantistici noti come quasiparticelle, compresa la modalità Higgs.
Questi studi offrono opportunità uniche per esplorare la fisica quantistica e applicare i suoi effetti esotici in tecnologie avanzate come l'elettronica basata sullo spin, o spintronica, e informatica quantistica.
"Eccitare le quasiparticelle quantistiche di un materiale in un modo che ci permetta di osservare la modalità di ampiezza di Higgs è piuttosto impegnativo, " disse Tao Hong, uno scienziato di strumenti con la divisione Quantum Condensed Matter dell'ORNL.
Sebbene la modalità di ampiezza di Higgs sia stata osservata in vari sistemi, "la modalità Higgs diventava spesso instabile e decadeva, accorciare l'opportunità di caratterizzarlo prima di perderlo di vista, "Ha detto Hong.
Tao Hong dell'ORNL ha analizzato il comportamento a bassa energia di un composto di bromuro di rame durante un esperimento di diffusione di neutroni presso il reattore isotopico ad alto flusso del laboratorio che ha prodotto la sfuggente modalità di ampiezza di Higgs in due dimensioni senza decadimento. Credito:Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory/Dip. di energia
Il team guidato dall'ORNL ha offerto un metodo alternativo. I ricercatori hanno selezionato un cristallo composto da bromuro di rame, perché lo ione rame è ideale per studiare effetti quantistici esotici, ha spiegato Hong. Hanno iniziato il delicato compito di "congelare" le particelle di livello quantico in agitazione del materiale abbassando la sua temperatura a 1,4 Kelvin, che è di circa meno 457,15 gradi Fahrenheit.
I ricercatori hanno messo a punto l'esperimento fino a quando le particelle hanno raggiunto la fase situata vicino al punto critico quantistico desiderato, il punto debole in cui gli effetti quantistici collettivi si diffondono su ampie distanze nel materiale, che crea le migliori condizioni per osservare una modalità di ampiezza di Higgs senza decadimento.
Con lo scattering di neutroni eseguito presso il reattore isotopico ad alto flusso dell'ORNL, il team di ricerca ha osservato la modalità Higgs con una durata infinita:nessun decadimento.
"C'è un dibattito in corso in fisica sulla stabilità di questi modi di Higgs molto delicati, "ha detto Alan Tennant, capo scienziato della direzione delle scienze dei neutroni dell'ORNL. "Questo esperimento è davvero difficile da fare, soprattutto in un sistema bidimensionale. E, ancora, ecco una chiara osservazione, ed è stabilizzato".
Durante l'esperimento di diffusione di neutroni, il campione contenente ioni di rame ha mostrato proprietà quantistiche esotiche poiché alcune quasiparticelle ruotano in una configurazione ondulatoria, rivelando infine la modalità di ampiezza di Higgs. Credito:Oak Ridge National Laboratory/Dip. di energia
L'osservazione del team di ricerca fornisce nuove informazioni sulle teorie fondamentali alla base dei materiali esotici, inclusi i superconduttori, sistemi di onde a densità di carica, sistemi bosonici ultrafreddi e antiferromagneti.
"Queste scoperte stanno avendo un impatto diffuso sulla nostra comprensione del comportamento dei materiali su scala atomica, "Ha aggiunto Hong.
Lo studio, intitolato, "Osservazione diretta della modalità di ampiezza di Higgs in un antiferromagnete quantistico bidimensionale vicino al punto critico quantistico, " è stato pubblicato in Fisica della natura .
