In una sorprendente scoperta, I fisici di Princeton hanno osservato un comportamento quantistico inaspettato in un isolante costituito da un materiale chiamato ditelluride di tungsteno. Questo fenomeno, nota come oscillazione quantistica, è tipicamente osservato nei metalli piuttosto che negli isolanti, e la sua scoperta offre nuove intuizioni sulla nostra comprensione del mondo quantistico. I risultati suggeriscono anche l'esistenza di un tipo completamente nuovo di particella quantistica.

La scoperta sfida una distinzione di vecchia data tra metalli e isolanti, perché nella consolidata teoria quantistica dei materiali, non si pensava che gli isolanti fossero in grado di sperimentare oscillazioni quantistiche.

"Se le nostre interpretazioni sono corrette, stiamo assistendo a una forma fondamentalmente nuova di materia quantistica, " disse Sanfeng Wu, assistente professore di fisica all'Università di Princeton e autore senior di un recente articolo in Natura dettagliare questa nuova scoperta. "Stiamo ora immaginando un mondo quantistico completamente nuovo nascosto negli isolanti. È possibile che ci siamo semplicemente persi di identificarli negli ultimi decenni".

L'osservazione delle oscillazioni quantistiche è stata a lungo considerata un segno distintivo della differenza tra metalli e isolanti. Nei metalli, gli elettroni sono altamente mobili, e la resistività, la resistenza alla conduzione elettrica, è debole. Quasi un secolo fa, ricercatori hanno osservato che un campo magnetico, abbinato a temperature molto basse, può causare il passaggio degli elettroni da uno stato "classico" a uno stato quantistico, provocando oscillazioni nella resistività del metallo. Negli isolanti, al contrario, gli elettroni non possono muoversi e i materiali hanno una resistività molto elevata, quindi non ci si aspetta che si verifichino oscillazioni quantistiche di questo tipo, indipendentemente dall'intensità del campo magnetico applicato.

La scoperta è stata fatta quando i ricercatori stavano studiando un materiale chiamato ditelluride di tungsteno, che hanno trasformato in un materiale bidimensionale. Hanno preparato il materiale usando lo scotch standard per esfoliare sempre più, o "radersi, " gli strati fino a quello che viene chiamato monostrato, un singolo strato sottile come un atomo. Il ditelluride di tungsteno spesso si comporta come un metallo. Ma una volta convertito in un monostrato, diventa un isolante molto forte.

"Questo materiale ha molte proprietà quantistiche speciali, " disse Wu.

I ricercatori hanno quindi iniziato a misurare la resistività del ditelluride di tungsteno monostrato sotto campi magnetici. Con loro sorpresa, la resistività dell'isolante, nonostante sia abbastanza grande, cominciò ad oscillare all'aumentare del campo magnetico, indicando il passaggio in uno stato quantistico. In effetti, il materiale, un isolante molto forte, mostrava la proprietà quantistica più notevole di un metallo.

"Questa è stata una sorpresa completa, " Wu ha detto. "Ci siamo chiesti, 'Cosa sta succedendo qui?' Non l'abbiamo ancora capito fino in fondo".

Wu ha notato che non ci sono teorie attuali per spiegare questo fenomeno.

Ciò nonostante, Wu e i suoi colleghi hanno avanzato un'ipotesi provocatoria:una forma di materia quantistica caricata in modo neutro. "A causa di interazioni molto forti, gli elettroni si stanno organizzando per produrre questo nuovo tipo di materia quantistica, " disse Wu.

Ma alla fine non sono più gli elettroni che oscillano, disse Wu. Anziché, i ricercatori ritengono che nuove particelle, che hanno soprannominato "fermioni neutri, " nascono da questi elettroni che interagiscono fortemente e sono responsabili della creazione di questo effetto quantistico altamente straordinario.

I fermioni sono una categoria di particelle quantistiche che includono gli elettroni. Nei materiali quantistici, i fermioni carichi possono essere elettroni caricati negativamente o "buchi" caricati positivamente che sono responsabili della conduzione elettrica. Vale a dire, se il materiale è un isolante elettrico, questi fermioni carichi non possono muoversi liberamente. Però, particelle neutre, cioè né caricati negativamente né positivamente:è teoricamente possibile essere presenti e mobili in un isolante.

"I nostri risultati sperimentali sono in conflitto con tutte le teorie esistenti basate su fermioni carichi, " ha detto Pengjie Wang, co-primo autore dell'articolo e associato di ricerca post-dottorato, "ma potrebbe essere spiegato in presenza di fermioni a carica neutra".

Il team di Princeton prevede ulteriori indagini sulle proprietà quantistiche del ditelluride di tungsteno. Sono particolarmente interessati a scoprire se la loro ipotesi, sull'esistenza di una nuova particella quantistica, è valida.

"Questo è solo il punto di partenza, " Wu ha detto. "Se abbiamo ragione, i futuri ricercatori troveranno altri isolanti con questa sorprendente proprietà quantistica".

Nonostante la novità della ricerca e la provvisoria interpretazione dei risultati, Wu ha ipotizzato come questo fenomeno potrebbe essere messo in pratica.

"È possibile che i fermioni neutri possano essere utilizzati in futuro per codificare informazioni che sarebbero utili nell'informatica quantistica, " disse. "Nel frattempo, anche se, siamo ancora nelle primissime fasi della comprensione di fenomeni quantistici come questo, quindi scoperte fondamentali devono essere fatte."