Particella fantasma di Weyl: finalmente creata in laboratorio dopo 85 anni

Una particella a lungo cercata, battezzata proprio per questo motivo “la particella fantasma”, che ha la straordinaria proprietà di essere senza massa, e la cui esistenza è stata teorizzata più di 85 anni fa, è stata finalmente creata in laboratorio. La particella misteriosa, chiamata fermione di Weyl, è emersa da un cristallo di un materiale considerato un semi-metallo. Bombardando il cristallo con i fotoni, un team di ricercatori ha prodotto un flusso di elettroni che collettivamente si comportavano come le particelle subatomiche elusive.

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La nuova scoperta getta luce non solo sul comportamento di una delle particelle fondamentali più sfuggenti della fisica, ma questo risultato potrebbe anche aprire la strada all’elettronica ultra-low-power, ha detto il co-autore dello studio Su-Yang Xu, un fisico che lavora presso l’Università di Princeton nel New Jersey.

Una particella a lungo cercata

Il matematico Hermann Weyl per primo propose l’esistenza di questa misteriosa particella priva di massa nel 1929. Le particelle farebbero un giro nel loro movimento, ma avrebbe anche “chiralità”, nel senso che potrebbero girare mentre viaggiano attraverso lo spazio sia secondo un orientamento verso sinistra che si uno verso destra, ha detto Xu. Quando un fermione  di Weyl con orientamento verso sinistra entra in contatto con un o con orientamento verso destra, si dovrebbero annientare l’un l’altro.

Secondo il Modello Standard, il modello imperante che descrive le particelle subatomiche, esistono due principali tipi di particelle: i bosoni e fermioni. I bosoni portano forza e i fermioni sono i costituenti elastici della materia. Tuttavia, gli scienziati hanno a lungo pensato che i fermioni potessero essere dividi in tre tipi: Dirac, Maiorana e Weyl. Finora, gli scienziati avevano trovato prove delle particelle dei primi due tipi negli acceleratori, ma nessun suggerimento di quest’ultimo, quello di Weyl.

Tuttavia, in uno studio del 2011 comparso sulla rivista Physical Review B, i ricercatori hanno proposto che un reticolo cristallino con determinate proprietà potrebbe produrre i fermioni di Weyl nelle giuste condizioni. Per produrre le particelle fantasma, il materiale avrebbe bisogno di un certo tipo di asimmetria, e dovrebbe anche essere un semi-metallo, un materiale con proprietà a metà strada fra un isolante e un conduttore. Il problema era che nessuno sapeva esattamente quali materiali provare per questo esperimento.

Così Xu ei suoi colleghi hanno studiato con attenzione un database che contiene quasi un milioni di descrizioni di reticoli cristallini. Hanno deciso che un reticolo fatto di tantalio e arsenico poteva essere un luogo promettente per guardarne gli effetti. Così hanno bombardato un reticolo fatto di tantalio-arseniuro con un fascio di fotoni (particelle di luce), che servono ad eccitare gli elettroni nel materiale. L’urto del materiale con il flusso extra di energia fornita dai fotoni ha spostato gli elettroni dalle loro normali posizioni nel reticolo e li ha messi in movimento. Rilevando la posizione di questi elettroni sfollati, la squadra è riuscita a capire come si muovevano attraverso il reticolo.

Analizzando queste proprietà, il team ha scoperto che gli elettroni agivano in modo molto strano. “La quasi-particella elettrone si comportava esattamente come un fermione di Weyl”, ha detto Xu.

Meglio di un superconduttore

La nuova scoperta potrebbe aprire la strada per la creazione di una migliore elettronica. I fermioni di Weyl sono molto stabili, e, proprio come la luce, rimangono alla stessa velocità sullo stesso corso a meno che non si incontrino con altri fermioni di Weyl della chiralità opposta. Di conseguenza, possono viaggiare per lunghe distanze e portare una carica senza essere dispersi all’interno del reticolo cristallino a causa del calore, come gli elettroni normali fanno.

Ciò significa che il nuovo materiale potrebbe teoricamente portare corrente meglio degli materiali esistenti utilizzati in elettronica, ed essere quindi considerato un superconduttore. E a differenza dei superconduttori, che funzionano solo quando sono immersi in ultra-freddo elio liquido o in azoto, il nuovo materiale potrebbe operare anche a temperatura ambiente.

Inoltre, una delle stranezze dei fermioni di Weyl è che sulla scala quantistica, quando si sperimentano un campo elettrico o magnetico, possono trasformare la loro chiralità. Ciò significa che hanno una strana capacità di “teletrasporto”, nel senso che possono cambiare spontaneamente da un  movimento verso sinistra per passare ad un movimento verso destra, in sostanza trasportare un fermione di un certo tipo in una posizione diversa, ha detto Leon Balents, fisico presso l’Istituto Kavli per la Fisica Teorica presso l’Università della California a Santa Barbara, che non è stato coinvolto nello studio.

Ma la nuova scoperta, anche se affascinante, non rende più chiara la probabilità che un fermione di Weyl si trovi in un atom smasher come il Large Hadron Collider, ha detto Ashvin Vishwanath, un fisico teoretico della materia condensata presso l’Università della California di Berkeley, autore dello studio del 2011, prima di quello che propone l’esistenza del fermione di Weyl tra i semi-metalli.

“Questo mette in luce una scoperta basata sul fatto che ci siano fermioni di Weyl in termini di particelle fondamentali,” ha detto in diretta a Science  Vishwanath, che non è stato coinvolto nello studio.

In entrambi i casi, la creazione di analogie con le particelle fondamentali nei cristalli potrebbe rivelare nuove informazioni su come queste particelle si comporterebbero nel mondo reale.” E ‘certamente necessario dare una più profonda comprensione di alcune di queste idee nel campo della fisica delle particelle, perché si deve iniziare a pensare a loro in un nuovo contesto.

Via | livescience

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