Un nuovo studio cinese e americano pubblicato su Nature il 14 Giugno 2023 ha investigato il comportamento degli elettroni in un dispositivo semiconduttore a temperature prossime dello zero assoluto, decretando la scoperta di un nuovo stato della materia. Il nuovo stato, chiamato chirale bose-liquido, ha proprietà singolari e la sua descrizione ha – e avrà – un forte impatto sulla comprensione microscopica della materia.
La materia con cui abbiamo a che fare giornalmente a scala macroscopica spesso si trova allo stato solido, liquido o gassoso.
Il Sole e i fulmini, però, sono esempi di un cosiddetto "quarto stato", il plasma. Ne seguono poi molti altri stati: il condensato Bose-Einstein, i superfluidi, i supersolidi, ecc. Ognuno di questi stati è caratterizzato da un comportamento differente e si manifesta a temperature e pressioni diverse.
Il nuovo stato chirale bose-liquido
Il nuovo stato chirale bose-liquido descrive il comportamento di elettroni presenti all’interno di un "sistema quantistico frustrato", ovvero un sistema a scala microscopica, contenente dei vincoli che non permettono agli elettroni di muoversi normalmente. Si definisce chirale poiché è un fenomeno non simmetrico, non sovrapponibile alla propria immagine speculare.
In questo studio si è utilizzato un dispositivo semiconduttore costituito da due strati molti vicini, a temperatura prossima dello zero assoluto (-273.15 °C). Lo strato superiore è stato caricato con molti elettroni, mentre in quello inferiore vi erano presenti delle lacune nelle quali gli elettroni si potevano muovere. Il numero delle lacune, però, non era sufficiente per soddisfare tutti gli elettroni.
Per comprendere la dinamica, nell'articolo stesso si fa riferimento al gioco delle sedie, nel quale vi sono più partecipanti che posti a sedere. Quando la musica si spegne, non tutti gli elettroni trovano il proprio posto, ed è ciò che succede anche in questo caso. All’applicazione di un campo magnetico intenso e vicino al bordo del dispositivo, gli elettroni e le lacune cominciano a muoversi alla stessa velocità, con la formazione un moto elicoidale.
Alcune proprietà del nuovo stato della materia scoperto
Se una particella esterna collide con uno degli elettroni presenti in questo stato, tutto il sistema viene disturbato. Ciò è dovuto al quantum entanglement a lungo raggio, ovvero la presenza di una correlazione a distanza di alcune grandezze fisiche microscopiche. Avvicinandosi allo zero assoluto, questo moto elicoidale diventa prevedibile e ha una direzione di rotazione fissata. In queste condizioni, non viene disturbato da campi magnetici o particelle esterne.
Queste proprietà microscopiche appena scoperte potrebbero essere molti utili per nuove applicazioni digitali e quantistiche.
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