Una nuova prova sperimentale di un comportamento collettivo degli elettroni per formare "quasiparticelle" chiamate "anyon" è stata riportata da un team di scienziati della Purdue University.

Gli anyon hanno caratteristiche non viste in altre particelle subatomiche, inclusa l'esposizione di carica frazionaria e statistiche frazionarie che mantengono una "memoria" delle loro interazioni con altre quasiparticelle inducendo cambiamenti di fase della meccanica quantistica.

associato di ricerca post-dottorato James Nakamura, con l'assistenza dei membri del gruppo di ricerca Shuang Liang e Geoffrey Gardner, ha fatto la scoperta mentre lavorava nel laboratorio del professor Michael Manfra. Manfra è Illustre Professore di Fisica e Astronomia, Bill e Dee O'Brien di Purdue Professore di Fisica e Astronomia, professore di ingegneria elettrica e informatica, e professore di ingegneria dei materiali. Sebbene questo lavoro possa eventualmente rivelarsi rilevante per lo sviluppo di un computer quantistico, per adesso, Manfra ha detto è da considerarsi un passo importante nella comprensione della fisica delle quasiparticelle.

Un documento di ricerca sulla scoperta è stato pubblicato in questa settimana Fisica della natura .

Il fisico teorico premio Nobel Frank Wilczek, professore di fisica al MIT, ha dato a queste quasiparticelle il nome ironico "anyon" a causa del loro strano comportamento perché a differenza di altri tipi di particelle, possono adottare "qualsiasi" fase quantistica quando le loro posizioni vengono scambiate.

Prima della crescente evidenza di chiunque nel 2020, i fisici avevano classificato le particelle nel mondo conosciuto in due gruppi:fermioni e bosoni. Gli elettroni sono un esempio di fermioni, e fotoni, che compongono la luce e le onde radio, sono bosoni. Una differenza caratteristica tra fermioni e bosoni è il modo in cui agiscono le particelle quando sono in loop, o intrecciato, uno intorno all'altro. I fermioni rispondono in un modo diretto, e bosoni in un altro modo atteso e diretto.

Tutti rispondono come se avessero una carica frazionaria, e ancora più interessante, creano un cambiamento di fase non banale mentre si intrecciano l'uno intorno all'altro. Questo può dare agli anyon un tipo di "memoria" della loro interazione.

"Gli anyon esistono solo come eccitazioni collettive di elettroni in circostanze speciali, " Ha detto Manfra. "Ma hanno queste proprietà dimostrabilmente interessanti tra cui la carica frazionaria e le statistiche frazionarie. È divertente, perché pensi, "Come possono avere meno carica della carica elementare di un elettrone?" Ma lo fanno".

Manfra diceva che quando si scambiano bosoni o fermioni, generano un fattore di fase di più uno o meno uno, rispettivamente.

"Nel caso dei nostri anyon la fase generata dall'intreccio è stata di 2/3, " ha detto. "Questo è diverso da quello che è stato visto in natura prima."

Gli Anyon mostrano questo comportamento solo come folle collettive di elettroni, dove molti elettroni si comportano come uno in condizioni molto estreme e specifiche, quindi non si pensa che si trovino isolati in natura, ha detto Nakamura.

"Normalmente nel mondo della fisica, pensiamo alle particelle fondamentali, come protoni ed elettroni, e tutte le cose che compongono la tavola periodica, " ha detto. "Ma noi studiamo l'esistenza di quasiparticelle, che emergono da un mare di elettroni che sono posti in determinate condizioni estreme."

Poiché questo comportamento dipende dal numero di volte in cui le particelle sono intrecciate, o in loop, uno intorno all'altro, sono più robusti nelle loro proprietà rispetto ad altre particelle quantistiche. Si dice che questa caratteristica sia topologica perché dipende dalla geometria del sistema e può eventualmente portare a strutture anyon molto più sofisticate che potrebbero essere utilizzate per costruire stabili, computer quantistici topologici.

Il team è stato in grado di dimostrare questo comportamento instradando gli elettroni attraverso una specifica nanostruttura incisa simile a un labirinto fatta di arseniuro di gallio e arseniuro di gallio alluminio. Questo dispositivo, chiamato interferometro, limitato gli elettroni a muoversi in un percorso bidimensionale. Il dispositivo è stato raffreddato a un centesimo di grado dallo zero assoluto (10 millikelvin), e sottoposto a un potente campo magnetico di 9 Tesla. La resistenza elettrica dell'interferometro ha generato uno schema di interferenza che i ricercatori hanno chiamato "trama del pigiama". I salti nello schema di interferenza erano la firma della presenza di anyon.

"Sicuramente è una delle cose più complesse e complicate da fare nella fisica sperimentale, "Chetan Nayak, fisico teorico presso l'Università della California, Santa Barbara ha detto a Science News.

Nakamura ha affermato che le strutture di Purdue hanno creato l'ambiente per questa scoperta.

"Abbiamo la tecnologia per far crescere il semiconduttore di arseniuro di gallio che è necessario per realizzare il nostro sistema di elettroni. Abbiamo le strutture di nanofabbricazione nel Birck Nanotechnology Center per realizzare l'interferometro, il dispositivo che abbiamo usato nei nostri esperimenti. Nel dipartimento di fisica, abbiamo la capacità di misurare temperature ultra-basse e di creare forti campi magnetici." ha detto. "Quindi, abbiamo tutti i componenti necessari che ci hanno permesso di fare questa scoperta tutti qui a Purdue. È una cosa fantastica fare ricerca qui e perché siamo stati in grado di fare questo progresso".

Manfra ha affermato che il prossimo passo nella frontiera delle quasiparticelle comporterà la costruzione di interferometri più complicati.

"Nei nuovi interferometri avremo la capacità di controllare la posizione e il numero di quasiparticelle nella camera, " ha detto. "Allora saremo in grado di modificare il numero di quasiparticelle all'interno dell'interferometro su richiesta e modificare il modello di interferenza come scegliamo".