Quasiparticelle: i fisici trovano un "demone" in un cristallo superconduttore
Più di 60 anni fa è stato previsto che in alcuni materiali si possono formare quasiparticelle elettricamente neutre e prive di massa. Questo fenomeno potrebbe aiutare a spiegare la superconduttività ad alta temperatura.
Nel 1956 il fisico teorico americano David Pines predisse che gli elettroni in un solido potevano fare qualcosa di strano. Mentre normalmente hanno una massa e una carica elettrica, Pines aveva previsto che in determinate circostanze avrebbero potuto produrre una quasiparticella priva di massa, elettricamente neutra e che non interagisce con la luce. Ora un gruppo di ricerca guidato dal fisico Peter Abbamonte dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha scoperto questo fenomeno all'interno di un cristallo superconduttore.
Gli scienziati nella rivista Nature, hanno utilizzato una tecnica sperimentale raramente usata chiamata spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (electron energy loss spectroscopy), che eccita direttamente i modi elettronici di un materiale e ha permesso ai ricercatori di riconoscere la firma della misteriosa particella nel rutenato di stronzio (Sr2RuO4). La particella è un tipo di plasmon. Si tratta di ciò che i fisici chiamano oscillazioni collettive in un insieme di particelle cariche, il cosiddetto plasma, che si comportano come una singola particella. In termini di meccanica quantistica, vengono trattati come quasiparticelle bosoniche. Svolgono un ruolo chiave nel modo in cui i metalli riflettono e assorbono la luce.
Secondo le previsioni di David Pines, questo speciale tipo di plasmon si crea quando due plasmi con energie diverse non oscillano in modo sincrono. Ha chiamato la particella "demone" - composta dalle prime lettere di "movimento distinto degli elettroni" e dal suffisso "-on", che indica che si tratta di una particella. Un simile demone di Pines potrebbe aiutare a spiegare una serie di fenomeni poco compresi come la superconduttività ad alta temperatura e l'interazione delle nanoparticelle metalliche con la luce.
Non così raro come si potrebbe pensare
Per trovare il demone, Abbamonte e il suo team hanno fatto rimbalzare gli elettroni su un cristallo di rutenato di stronzio e hanno misurato con altissima precisione quanta energia guadagnassero o perdessero nel processo. Utilizzando questa piccola variazione di energia, sono stati in grado di calcolare la quantità di moto del demone nel cristallo e hanno scoperto che corrispondeva abbastanza fedelmente alle previsioni di David Pines.
Tali demoni dovrebbero essere in grado di creare un'atmosfera di pace e di sicurezza.
Tali demoni dovrebbero esistere anche in innumerevoli altri materiali metallici, ha dichiarato Peter Abbamonte secondo la rivista scientifica "New Scientist". L'unico requisito è che un metallo abbia due popolazioni di elettroni con energie diverse che oscillano a frequenze diverse - una proprietà che si verifica in numerosi materiali, tra cui gli idruri di lantanio, una classe di superconduttori ad alta temperatura. "Questi demoni non sono rari", ha dichiarato Abbamonte. "Penso che siano presenti in molti materiali, solo che non li abbiamo ancora visti perché non abbiamo fatto il giusto tipo di misurazione".
Il demone di Pines non è raro.
Il demone di Pines potrebbe anche essere una possibile spiegazione dell'origine della superconduttività stessa. L'idea convenzionale, nota come teoria BCS, afferma che gli elettroni possono unirsi in cosiddette coppie di Cooper e muoversi attraverso un materiale senza resistenza. Si presume che questi elettroni accoppiati interagiscano tra loro attraverso quasiparticelle di suono, note come fononi. Tuttavia, finora la teoria sembra spiegare senza ombra di dubbio solo la superconduttività a bassa temperatura. Nel caso della superconduttività ad alta temperatura, il meccanismo di formazione delle coppie non è ancora chiaro; l'interazione diretta elettrone-fonone è fuori discussione. Esiste quindi una teoria secondo cui gli elettroni potrebbero interagire attraverso i demoni di Pines. Il fatto che il rutenato di stronzio si comporti come un superconduttore potrebbe indicare che questo è il caso, ha detto Abbamonte.
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Immagine di copertina: Shutterstock / jijomathaidesigners
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