Una collaborazione internazionale che coinvolge europei, Israeliano, e gli scienziati statunitensi realizzano per la prima volta interazioni forti e dipendenti dalla direzione in liquidi quantistici di eccitoni, che contrasta con l'isotropia spaziale dell'accoppiamento tra particelle cariche. Questa anisotropia spaziale influenza il modo in cui le particelle si dispongono nello spazio e apre percorsi verso stati esotici della materia creati artificialmente. I risultati sono stati pubblicati in Revisione fisica X .

"Uccelli di una piuma si radunano insieme":questo vecchio proverbio può applicarsi a diverse circostanze della vita ma certamente non si applica alle cariche elettriche:cariche della stessa polarità si respingono sempre, mentre solo le cariche di polarità opposta si attraggono. Una conseguenza dell'attrazione tra cariche dissimili è la formazione di eccitoni (coppie elettrone-lacuna) nei semiconduttori. Tali coppie di elettroni con carica negativa e lacune con carica positiva possono essere create tramite l'assorbimento di quanti di luce (fotoni). Gli eccitoni sono le cosiddette quasi-particelle che risultano dal legame di un elettrone e una lacuna mediante l'interazione elettrostatica di Coulomb attrattiva tra di loro. Gli eccitoni sono mobili ma non stabili poiché gli elettroni e le lacune possono ricombinarsi rapidamente portando all'emissione di un fotone. Gli eccitoni a lunga vita possono, però, essere creato in speciali bistrati semiconduttori costituiti da due pozzi quantici ravvicinati separati da una sottile barriera di potenziale (vedi Figura). Se alla struttura viene applicata una tensione di polarizzazione, gli elettroni e le lacune che formano l'eccitone verranno immagazzinati in pozzetti quantistici separati:questa separazione di carica aumenta significativamente la durata della ricombinazione. Questi eccitoni a vita lunga acquisiscono un momento di dipolo p e sono quindi noti come eccitoni dipolari (o indiretti).

Gli eccitoni così come gli eccitoni dipolari sono particelle neutre all'esterno e sorge la domanda su come interagiscono tra loro gli eccitoni dipolari. La risposta può essere trovata considerandoli come dipoli allineati. Contrariamente all'interazione coulombiana elettrostatica tra due cariche, che dipende solo dalla distanza tra loro, l'interazione tra due dipoli dipende sia dall'orientamento relativo tra i loro dipoli sia dal vettore che li collega. Per dipoli allineati come gli eccitoni dipolari in figura, l'interazione cambia da repulsiva ad attrattiva man mano che l'angolo tra di loro aumenta da 0 a 90 gradi.

Gli esperimenti sugli eccitoni dipolari effettuati finora hanno utilizzato eccitoni in un unico doppio strato, dove si può solo sondare la componente repulsiva dell'interazione dipolare. Ora un team internazionale di ricercatori del Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik di Berlino, l'Università Ebraica di Gerusalemme, l'Institute of Science and Technology Austria e l'Università di Princeton hanno trovato un modo intelligente per superare le sfide impilando due strati dipolari, come illustrato in figura:in questo modo, sono stati in grado di dimostrare per la prima volta l'attraente componente dipolo-dipolo dell'accoppiamento tra le particelle, con risultati sorprendenti. Essi mostrano che la presenza di eccitoni dipolari in uno dei doppi strati induce un accumulo di eccitoni dipolari nel secondo doppio strato. Quest'ultimo dimostra che in condizioni appropriate il vecchio proverbio si applica anche agli eccitoni dipolari.

Recentemente, gas e liquidi quantistici dipolari hanno attirato molta attenzione, poiché ospitano una pletora di fenomeni esotici a molte particelle originati dal carattere a lungo raggio e anisotropo delle interazioni dipolo-dipolo. Le fasi dipolari della materia sono state finora per lo più studiate nel contesto dei gas ultrafreddi di molecole polari e atomi magnetici:un buon esempio è la supersolidità osservata di recente, i cristalli in cui gli atomi scorrono senza attrito. Tali insiemi a bassa densità, però, rendere difficile il raggiungimento del regime di forti interazioni interparticellari, dove si svolge la maggior parte della fisica esotica.

Il forte accoppiamento attrattivo inter-bilayer come dimostrato ora da Hubert et al. rende possibile lo studio di questi fenomeni in un sistema allo stato solido di fluidi dipolari. In particolare, può sondare densità dipolari e forze di interazione attualmente non disponibili nelle realizzazioni atomiche, che dovrebbe rivelare nuovi effetti collettivi e fasi. Un esempio è la resistenza reciproca e le energie di legame maggiori del previsto tra le particelle dipolari rilevate negli esperimenti sugli eccitoni. Questo effetto sorprendente è attribuito alla comparsa di onde elettroacustiche o polaroni nei due fluidi, mediata dalle interazioni remote dipolo-dipolo. All'aumentare della densità del fluido, l'energia del polarone cambia in modo significativo, possibilmente rappresentando il confine di fase tra gas e stato liquido. Questo fenomeno sorprendente è una buona motivazione per futuri esperimenti che tentano la realizzazione delle fasi esotiche a molti corpi con interazioni anisotrope di sistemi quantistici fortemente correlati.