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Jun 11, 2023

I fisici creano un nuovo stato esotico della materia: un isolante correlato bosonico

Questa è la prima volta che un cristallo altamente ordinato di particelle bosoniche chiamate eccitoni viene creato in un sistema di materia reale, anziché sintetico. Xiong et al. osservato un isolante correlato

Questa è la prima volta che un cristallo altamente ordinato di particelle bosoniche chiamate eccitoni viene creato in un sistema di materia reale, anziché sintetico.

Xiong et al. osservò un isolante correlato di eccitoni interstrato in un doppio strato costituito da diseleniuro di tungsteno, che ospitava fori, e disolfuro di tungsteno, che ospitava elettroni. Credito immagine: Xiong et al., doi: 10.1126/science.add5574.

Le particelle subatomiche sono disponibili in due grandi tipi: fermioni e bosoni. Una delle più grandi distinzioni è nel loro comportamento.

I bosoni possono occupare lo stesso livello energetico; ai fermioni non piace stare insieme. Insieme, questi comportamenti costruiscono l’Universo come lo conosciamo.

I fermioni, come gli elettroni, sono alla base della materia con cui abbiamo più familiarità poiché sono stabili e interagiscono attraverso la forza elettrostatica.

Nel frattempo i bosoni, come i fotoni, tendono ad essere più difficili da creare o manipolare poiché sono fugaci o non interagiscono tra loro.

"Un indizio sui loro comportamenti distinti è nelle loro diverse caratteristiche quantomeccaniche", ha detto il primo autore Richen Xiong, uno studente laureato presso l'Università della California a Santa Barbara.

“I fermioni hanno spin semiinteri come 1/2 o 3/2 ecc., mentre i bosoni hanno spin interi interi (1, 2, ecc.).”

“Un eccitone è uno stato in cui un elettrone carico negativamente (fermione) è legato al suo foro opposto caricato positivamente (un altro fermione), con i due spin semiinteri che insieme diventano un intero intero, creando una particella bosonica”.

Per creare e identificare gli eccitoni nel loro sistema, Xiong e colleghi hanno stratificato i due reticoli e hanno puntato su di essi forti luci in un metodo che chiamano spettroscopia con sonda a pompa.

La combinazione di particelle di ciascuno dei reticoli (elettroni del disolfuro di tungsteno e lacune del diseleniuro di tungsteno) e la luce hanno creato un ambiente favorevole per la formazione e le interazioni tra gli eccitoni, consentendo al contempo ai ricercatori di sondare i comportamenti di queste particelle.

"E quando questi eccitoni raggiungevano una certa densità, non potevano più muoversi", ha detto l'autore senior Dr. Chenhao Jin, fisico dell'Università della California a Santa Barbara.

Grazie alle interazioni forti, i comportamenti collettivi di queste particelle ad una certa densità le costringevano ad uno stato cristallino e creavano un effetto isolante dovuto alla loro immobilità.

"Quello che è successo qui è che abbiamo scoperto la correlazione che ha portato i bosoni in uno stato altamente ordinato", ha detto Xiong.

Generalmente, un insieme sciolto di bosoni a temperature ultrafredde formerà un condensato, ma in questo sistema, con la luce e una maggiore densità e interazione a temperature relativamente più elevate, si sono organizzati in un isolante solido simmetrico e privo di carica.

La creazione di questo stato esotico della materia dimostra che la piattaforma moiré dei ricercatori e la spettroscopia con sonda a pompa potrebbero diventare un mezzo importante per creare e studiare materiali bosonici.

"Ci sono fasi a molti corpi con fermioni che danno luogo a cose come la superconduttività", ha spiegato Xiong.

“Esistono anche controparti a molti corpi con bosoni che sono anch’essi fasi esotiche”.

"Quindi quello che abbiamo fatto è creare una piattaforma, perché non avevamo un ottimo modo per studiare i bosoni nei materiali reali."

"Anche se gli eccitoni sono ben studiati, fino a questo progetto non c'era stato un modo per convincerli a interagire fortemente tra loro."

Con il metodo del team, potrebbe essere possibile non solo studiare particelle bosoniche ben note come gli eccitoni, ma anche aprire più finestre sul mondo della materia condensata con nuovi materiali bosonici.

"Sappiamo che alcuni materiali hanno proprietà molto bizzarre", ha detto il dottor Jin.

“E uno degli obiettivi della fisica della materia condensata è capire perché hanno queste ricche proprietà e trovare modi per far emergere questi comportamenti in modo più affidabile”.

Il lavoro appare sulla rivista Science.