Quali tipi di 'particelle' sono ammessi dalla natura? La risposta sta nella teoria della meccanica quantistica, che descrive il mondo microscopico.

Nel tentativo di allargare i confini della nostra comprensione del mondo quantistico, I ricercatori dell'UC Santa Barbara hanno sviluppato un dispositivo che potrebbe provare l'esistenza di anyon non abeliani, una particella quantistica che è stata matematicamente prevista esistere nello spazio bidimensionale, ma finora non dimostrato in modo conclusivo. L'esistenza di queste particelle aprirebbe la strada a importanti progressi nel calcolo quantistico topologico.

In uno studio apparso sulla rivista Natura , il fisico Andrea Young, il suo studente laureato Sasha Zibrov ei loro colleghi hanno fatto un salto verso la ricerca di prove conclusive per chiunque non sia abeliano. Usando il grafene, un materiale atomicamente sottile derivato dalla grafite (una forma di carbonio), hanno sviluppato un difetto estremamente basso, dispositivo altamente sintonizzabile in cui gli utenti non abeliani dovrebbero essere molto più accessibili. Primo, un piccolo retroscena:nel nostro universo tridimensionale, le particelle elementari possono essere sia fermioni che bosoni:pensate agli elettroni (fermioni) o all'Higgs (un bosone).

"La differenza tra questi due tipi di 'statistiche quantistiche' è fondamentale per il comportamento della materia, " disse Young. Ad esempio, i fermioni non possono occupare lo stesso stato quantistico, permettendoci di spingere gli elettroni nei semiconduttori e impedendo il collasso delle stelle di neutroni. I bosoni possono occupare lo stesso stato, portando a fenomeni spettacolari come la condensazione di Bose-Einstein e la superconduttività, Lui ha spiegato. Combina alcuni fermioni, come i protoni, neutroni, e gli elettroni che compongono gli atomi e puoi ottenere entrambi i tipi, ma non eludere mai la dicotomia.

In un universo bidimensionale, però, le leggi della fisica consentono una terza possibilità. Conosciuto come "anyons, " questo tipo di particella quantistica non è né un bosone né un fermione, ma piuttosto qualcosa di completamente diverso - e alcuni tipi di anyon, conosciuti come anyon non abeliani, conservare un ricordo dei loro stati passati, codificare informazioni quantistiche su lunghe distanze e formare gli elementi costitutivi teorici per i computer quantistici topologici.

Anche se non viviamo in un universo bidimensionale, quando confinato a un foglio o una lastra di materiale molto sottile, fanno gli elettroni. In questo caso, gli anyoni possono emergere come "quasiparticelle" da stati correlati di molti elettroni. Perturbando un tale sistema, diciamo con un potenziale elettrico, porta a riorganizzare l'intero sistema proprio come se qualcuno si fosse mosso.

La caccia ai anyon non abeliani inizia con l'identificazione degli stati collettivi che li ospitano. "Negli stati quantistici di Hall frazionari - un tipo di stato elettronico collettivo osservato solo in campioni bidimensionali a campi magnetici molto elevati - è noto che le quasiparticelle hanno esattamente una frazione razionale della carica dell'elettrone, implicando che sono anyons, " ha detto il giovane.

"Matematicamente, Sicuro, le statistiche non abeliane sono consentite e persino previste per alcuni stati quantistici frazionari di Hall." ha continuato. Tuttavia, gli scienziati in questo campo sono stati limitati dalla fragilità degli stati ospiti nel materiale semiconduttore dove sono tipicamente studiati. In queste strutture, gli stessi stati collettivi si manifestano solo a temperature eccezionalmente basse, rendendo doppiamente difficile esplorare le proprietà quantistiche uniche dei singoli anyon.

Il grafene si rivela un materiale ideale per costruire dispositivi per la ricerca degli sfuggenti anyons. Ma, mentre gli scienziati costruivano dispositivi a base di grafene, altri materiali che circondano il foglio di grafene, come substrati di vetro e porte metalliche, hanno introdotto abbastanza disordine da distruggere qualsiasi firma di stati non abeliani, Zibrov ha spiegato. Il grafene va bene, è l'ambiente il problema, Egli ha detto.

La soluzione? Materiale più atomicamente sottile.

"Abbiamo finalmente raggiunto un punto in cui tutto nel dispositivo è costituito da singoli cristalli bidimensionali, " disse Young. "Quindi non solo il grafene stesso, ma i dielettrici sono singoli cristalli di nitruro di boro esagonale che sono piatti e perfetti e le porte sono singoli cristalli di grafite che sono piatti e perfetti." Allineando e impilando questi cristalli piatti e perfetti di materiale uno sopra l'altro, il team ha ottenuto non solo un sistema a bassissimo disturbo, ma uno che è anche estremamente sintonizzabile.

"Oltre a realizzare questi stati, possiamo sintonizzare parametri microscopici in un modo molto ben controllato e capire cosa rende stabili questi stati e cosa li destabilizza, " ha detto Young. Il buon grado di controllo sperimentale e l'eliminazione di molte incognite hanno permesso al team di modellare teoricamente il sistema con elevata precisione, rafforzare la fiducia nelle loro conclusioni.

L'avanzamento dei materiali conferisce a queste fragili eccitazioni una certa robustezza, con le temperature richieste quasi dieci volte superiori a quelle necessarie in altri sistemi di materiali. Portare le statistiche non abeliane in un intervallo di temperatura più conveniente si rivela un'opportunità non solo per le indagini della fisica fondamentale, ma riaccende la speranza di sviluppare un bit quantistico topologico, che potrebbe costituire la base per un nuovo tipo di computer quantistico. Gli anyon non abeliani sono speciali in quanto si pensa che siano in grado di elaborare e memorizzare informazioni quantistiche indipendentemente da molti effetti ambientali, una grande sfida nella realizzazione di computer quantistici con mezzi tradizionali.

Ma, dicono i fisici, cominciando dall'inizio. Misurare direttamente le proprietà quantistiche delle quasiparticelle emergenti è molto impegnativo, Zibrov ha spiegato. Mentre alcune proprietà, come la carica frazionaria, sono state definitivamente dimostrate, la prova definitiva delle statistiche non abeliane, tanto meno l'utilizzo di anioni non abeliani per il calcolo quantistico, è rimasta molto fuori dalla portata degli esperimenti. "Non sappiamo ancora sperimentalmente se esistono anyon non abeliani, " Disse Zibrov.

"I nostri esperimenti finora sono coerenti con la teoria, il che ci dice che alcuni degli stati che abbiamo osservato dovrebbero essere non abeliani, ma non abbiamo ancora una prova fumante sperimentale".

"Vorremmo un esperimento che dimostri effettivamente un fenomeno unico per le statistiche non abeliane, "disse Giovane, che ha vinto numerosi premi per il suo lavoro, compreso il premio alla CARRIERA della National Science Foundation. "Ora che abbiamo un materiale che comprendiamo molto bene, ci sono molti modi per farlo, vedremo se la natura coopererà!"