Liquido di Bose chirale: un sistema quantistico frustrato crea una nuova forma di materia
Una "macchina della frustrazione" studia il comportamento della materia in stati molto esotici. Si verificano strani fenomeni, interessanti anche per i computer quantistici.
In esperimenti con semiconduttori appositamente disposti, gli esperti hanno scoperto una nuova fase della materia, il cosiddetto liquido di Bose chirale. Come riporta il team guidato da Rui-Rui Du dell'Università di Pechino, questa fase insolita si presenta in un sistema quantistico "frustrato" in cui uno squilibrio impedisce di assumere un vero e proprio stato energetico di base. Di conseguenza, in questi sistemi possono verificarsi fenomeni molto esotici. Secondo quanto pubblicato su "Nature", il liquido di Bose chirale è costituito da elettroni che assumono uno stato ordinato a temperature molto basse, in cui le singole particelle sono quantisticamente invischiate su lunghe distanze. Questo stato è insolitamente stabile e non viene disturbato né dalle interazioni con altre particelle né da campi magnetici aggiuntivi. Questo rende la scoperta interessante per l'archiviazione stabile dei dati per i computer quantistici.
Il gruppo di ricerca descrive la sua costruzione come una "macchina della frustrazione" per gli elettroni: Potenzialmente può essere utilizzata per produrre molti stati esotici della materia. È composta da due strati di semiconduttori con proprietà diverse. Lo strato superiore contiene elettroni liberi, mentre quello inferiore contiene "buchi", ovvero quasi-vuoti che si comportano come particelle cariche positivamente e possono combinarsi con gli elettroni. Entrambi si combinano per formare quasiparticelle, note come eccitoni. Il team di Du ha configurato i semiconduttori in modo tale che quello inferiore contenga molti più buchi liberi di quanti elettroni contenga quello superiore. Questi ultimi possono quindi formare eccitoni di energia quasi uguale con diversi buchi; di conseguenza, l'intero sistema non ha uno stato fondamentale di energia minima chiaramente definito, il che è noto come frustrazione.
Il liquido di Bose chirale si crea perché questi elettroni e buchi della stessa energia migrano ciascuno in canali in cui tutte le particelle hanno lo stesso orientamento di spin. Quando il gruppo di lavoro applica il campo magnetico, questi canali con diversi orientamenti di spin si allontanano. Si forma così il liquido di Bose chirale. Questo liquido ha una serie di strane proprietà. Le particelle coinvolte sono quantisticamente invischiate su distanze molto grandi e il loro orientamento di spin comune è molto stabile contro le perturbazioni. Oltre alla possibilità, almeno teorica, di utilizzare un giorno questi sistemi nei computer quantistici, questi sistemi quantistici frustrati sono interessanti in linea di principio. Si tratta di casi speciali in cui le particelle interagiscono in modo molto strano. Grazie alle loro proprietà esotiche, nuove fasi della materia come il liquido di Bose chirale potrebbero fornire nuove conoscenze sul funzionamento del mondo subatomico nel suo complesso.
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Immagine di copertina: Shutterstock / Sola Solandra
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