Quasiparticelle: nuove entità fisiche

Le quasiparticelle sono entità che possiedono una natura particellare e rappresenta un sistema contenente particelle interagenti tra loro. La struttura è quella di una particella singola e della circostante nuvola costituita da altre particelle da essa respinte.

La prima definizione di quasiparticella

Il primo a definire una quasiparticella fu Lev D. Landau, che nel 1956 condusse degli studi sulla superfluidità. Landau introdusse il concetto di liquidi quantistici bosonici (isotopo ) e quelli fermionici ().

Il concetto di quasiparticella nasce poi come estensione di un’eccitazione generale di un sistema a materia condensata. Esso permette di semplificare il problema a molti corpi della meccanica quantistica poiché la dinamica delle quasiparticelle prevede delle equazioni più semplici

Le ipotesi di Majorana

Una delle prime quasiparticelle scoperte fu un buco elettronico. In altri termini l’assenza di un elettrone in un luogo dove dovrebbe esistere. I fisici negli anni ’40 scoprirono che i buchi saltellano all’interno dei solidi come particelle caricate positivamente.

Majorana diede un’ulteriore definizione di quasiparticelle, come oggetti con una doppia natura. Esse infatti sono metà elettrone e metà lacuna allo stesso tempo.

Nel 2010, Das Sarma e i suoi collaboratori hanno sostenuto che le quasiparticelle di Majorana potrebbero essere utilizzate per creare computer quantistici. Quando muovi l’elettrone e la lacuna l’uno attorno all’altro, immagazzinano informazioni, come uno schema intrecciato in due corde. Diverse torsioni corrispondono agli 1, agli 0 e alle sovrapposizioni di 1 e 0 che sono i bit del calcolo quantistico.

Gli sforzi per costruire computer quantistici efficaci sono finora inciampati perché le sovrapposizioni quantistiche della maggior parte dei tipi di particelle si disgregano quando diventano troppo calde o quando entrano in collisione con altre particelle. Non è così per le quasiparticelle di Majorana. La loro insolita composizione conferisce loro energia zero e carica zero, e questo teoricamente consente loro di esistere nelle profondità di un certo tipo di superconduttore, un materiale che conduce l’elettricità senza resistenza.

Classificazione delle quasiparticelle

Solo 17 particelle sono dette “fondamentali”, poiché si ritiene siano gli elementi costitutivi di tutta la realtà materiale. Le quasiparticelle emergono dalle interazioni tra un numero enorme di quelle particelle fondamentali. Prendendo allora un solido, un liquido o un plasma composto da un vasto numero di particelle e sottoponendolo a temperature e pressioni estreme si può descrivere il sistema risultante come poche entità robuste, simili a particelle. Le quasiparticelle emergenti possono essere abbastanza stabili con proprietà ben definite come massa e carica.

Un esempio di quasiparticelle: i polaroni

Un esempio di quasiparticella è il polarone. Esso è composto da un elettrone e dal campo di polarizzazione elettrica. L’elettrone si muove in un cristallo interagendo con gli ioni sarà circondato da una regione di polarizzazione del reticolo causata dalla deformazione del reticolo degli ioni. L’elettrone attira verso di sé gli ioni caricati positivamente e comporrà una nuvola di fononi.

I polaroni furono scoperti da Lev Landau nel 1933. Si parla di queste quasiparticelle anche in Star Trek: Voyager nel 1995. La caratteristica principale è quindi che essi si materializzano quando molti elettroni sono intrappolati all’interno di un cristallo. La spinta e l’attrazione tra ciascun elettrone e tutte le particelle nel suo ambiente “vestono” l’elettrone in modo che si comporti come una quasiparticella con una massa maggiore.

I buchi neri fatti da polaroni

Le tante quasiparticelle, con la sua gamma di varietà, offre ai fisici la possibilità di costruire analoghi di altri sistemi a cui è difficile o impossibile accedere, come i buchi neri.

I buchi neri si formano nel cosmo ovunque la gravità diventa così forte che nemmeno la luce può sfuggire. Si può creare un analogo con i polaritoni. Per farlo i ricercatori utilizzano due specchi per intrappolare un fotone all’interno di una gabbia che contiene anche un eccitone, a sua volta una sorta di quasiparticella composta da un elettrone e una lacuna che orbitano l’uno attorno all’altro.

La ricerca degli ultimi anni

Nelle ricerche eseguite negli ultimi anni circa la materia condensata si evince che si possono creare quasiparticelle che hanno una frazione precisa della carica o dello spin dell’elettrone ovvero una sorta di momento angolare intrinseco. Non è ancora chiaro come emergano queste proprietà esotiche al punto che i ricercatori dell’Università del Maryland lo hanno definito come un effetto magico.