In fisica, ci sono tipi molto diversi di particelle:Le particelle elementari sono i mattoni fondamentali della materia. Altre particelle, come gli atomi, sono stati legati costituiti da diversi costituenti più piccoli. E poi ci sono le cosiddette "quasi-particelle":eccitazioni in un sistema che consiste di molte particelle, che in molti modi si comportano proprio come una particella.

Tale quasiparticella è stata ora scoperta in simulazioni al computer presso TU Wien (Vienna) e denominata pi-ton. Consiste di due elettroni e due lacune. La nuova particella è presentata sulla rivista Lettere di revisione fisica , l'articolo descrive anche come il pi-ton può essere rilevato sperimentalmente.

Un buco è quasi una particella

"La quasi-particella più semplice è un buco, " spiega il prof. Karsten Held dell'Institute for Solid State Physics a TU Wien. "Immaginiamo, Per esempio, che molti atomi sono disposti in modo regolare in un cristallo e che c'è un elettrone in movimento in ogni atomo. Solo in un particolare atomo manca l'elettrone, questo si chiama buco." Ora un elettrone può salire dall'atomo vicino. Il buco originale è chiuso, si apre un nuovo buco.

Invece di descrivere il moto di elettroni in costante movimento, è più facile studiare il movimento del foro. Se gli elettroni si spostano a destra, il foro si sposta a sinistra e questo movimento segue determinate regole fisiche, proprio come il movimento di una particella ordinaria. Però, a differenza di un elettrone, che si può osservare anche fuori dal cristallo, il foro esiste solo in combinazione con le altre particelle. In questo caso si parla di "quasi-particella".

"Però, la linea di demarcazione tra particelle e quasi-particelle non è così netta come si potrebbe pensare, " dice Karsten Held. "A rigor di termini, anche le particelle ordinarie possono essere comprese solo nel contesto del loro ambiente. Anche nel vuoto, le eccitazioni particella-foro si verificano costantemente, anche se per pochissimo tempo. Senza di loro, la massa di un elettrone per esempio sarebbe completamente diversa. In questo senso, anche in esperimenti con elettroni ordinari, quello che vediamo è in realtà un elettrone quasi particellare".

Legami più complicati

Ma ci sono anche quasi-particelle più complesse:l'eccitone, Per esempio, che gioca un ruolo importante nella fisica dei semiconduttori. È uno stato legato costituito da un elettrone e una lacuna, che è creato dalla luce. L'elettrone è caricato negativamente, il buco è l'assenza di una carica negativa, e quindi carica positivamente. Entrambi si attraggono e possono formare un legame.

"In realtà volevamo indagare su tali eccitoni, " riferiscono la dott.ssa Anna Kauch e la dott.ssa Petra Pudleiner, i primi autori del saggio. "Abbiamo sviluppato simulazioni al computer per calcolare gli effetti fisici quantistici nei solidi". Ma presto Anna Kauch, Petra Pudleiner e la loro collega Katharina Astleithner si resero conto di essersi imbattuti in qualcosa di completamente diverso nei loro calcoli:un tipo completamente nuovo di quasi-particella. Consiste di due elettroni e due lacune che si accoppiano al mondo esterno tramite fotoni.

Il team ha dato a questo oggetto precedentemente sconosciuto il nome pi-ton." "Il nome pi-ton deriva dal fatto che i due elettroni e le due lacune sono tenuti insieme da fluttuazioni della densità di carica o fluttuazioni di spin che invertono sempre il loro carattere di 180 gradi rispetto a un punto reticolare del cristallo al successivo, cioè da un angolo di pi greco, misurato in radianti, " spiega Anna Kauch. "Questo cambiamento costante dal più al meno può forse essere immaginato come un cambiamento dal nero al bianco su una scacchiera, " dice Petra Pudleiner. Il pitone si crea spontaneamente assorbendo un fotone. Quando scompare, un fotone viene nuovamente emesso.

La particella che è uscita dal computer

Finora, il pi-ton è stato scoperto e verificato mediante simulazioni al computer. Per il gruppo di ricerca, non ci sono dubbi sull'esistenza del pi-ton:"Abbiamo studiato il fenomeno del pi-ton utilizzando vari modelli:si presenta ancora e ancora. Pertanto, dovrebbe sicuramente essere rilevabile in una varietà di materiali diversi. ", Karsten Held è convinto. "Alcuni dati sperimentali ottenuti con il materiale titanato di samario sembrano già puntare al pi-ton. Ulteriori esperimenti con fotoni e neutroni dovrebbero presto fornire chiarezza".

Anche se siamo costantemente circondati da innumerevoli quasiparticelle, la scoperta di una nuova specie di quasiparticelle è qualcosa di molto speciale. Oltre all'eccitone, ora c'è anche il pi-ton. In ogni caso, ciò contribuisce a una migliore comprensione dell'accoppiamento tra luce e solidi, un argomento che gioca un ruolo importante non solo nella ricerca di base ma anche in molte applicazioni tecniche, dalla tecnologia dei semiconduttori al fotovoltaico.