Sulle tracce delle quasiparticelle

Per comprendere e prevedere i fenomeni meteorologici, non ha molto senso analizzare il comportamento delle singole gocce d'acqua o delle molecole d'aria. I meteorologi (e i non addetti ai lavori) parlano invece di nuvole, venti e precipitazioni, oggetti che risultano dalla complessa interazione di piccole particelle. Lo stesso fanno i fisici che si occupano delle proprietà ottiche o della conduttività dei solidi. Anche in questo caso, le particelle più piccole - elettroni e atomi - sono responsabili dei fenomeni più diversi, ma un quadro rivelatore emerge solo quando molte di esse vengono raggruppate per formare "quasiparticelle".

Scoprire esattamente quali quasiparticelle si formano in un materiale e come si influenzano a vicenda non è tuttavia un compito facile e assomiglia a un enorme puzzle, i cui pezzi vengono messi insieme gradualmente attraverso una lunga ricerca. Ataç Imamoğlu e i suoi collaboratori dell'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo sono ora riusciti a trovare un nuovo pezzo del puzzle in uno studio combinato sperimentale e teorico, che mette anche al posto giusto un pezzo precedentemente smarrito.

Eccitoni e polaroni

Nei solidi, ad esempio, si formano quasiparticelle quando una particella di luce viene assorbita. L'energia cinetica degli elettroni in un solido può assumere solo valori che si trovano in aree ben definite, dette bande. Una particella di luce può ora trasportare un elettrone da una banda di energia inferiore a una superiore, lasciando un "buco" nella banda inferiore.

L'elettrone eccitato e la buca risultante si attraggono a vicenda grazie alla forza elettrostatica di Coulomb; se questa attrazione è sufficientemente forte, la coppia elettrone-buco può essere considerata come una quasiparticella - nasce un "eccitone". Se invece due elettroni e una buca si legano l'uno all'altro, si forma un trion. Tuttavia, se nel materiale sono presenti contemporaneamente eccitoni e un gran numero di elettroni liberi, è necessaria una nuova quasiparticella chiamata polarone di Fermi per descrivere le sue proprietà qualitativamente nuove o "emergenti".

Quasiparticelle nei semiconduttori

Imamoğlu e i suoi colleghi volevano studiare le proprietà delle quasiparticelle presenti in un certo tipo di semiconduttore in cui gli elettroni possono muoversi solo in due dimensioni. Per farlo, hanno preso un singolo strato di diseleniuro di molibdeno, spesso appena un millesimo di micrometro, incastrato tra due dischi di nitruro di boro. A questo hanno aggiunto uno strato di grafene per applicare una tensione elettrica che potesse essere usata per controllare la densità di elettroni nel materiale. Infine, la struttura è stata inserita tra due microspecchi, che insieme hanno formato un risonatore ottico.

Utilizzando questo complesso set-up sperimentale, i fisici di Zurigo sono ora in grado di studiare in dettaglio la forza con cui il materiale assorbe la luce in condizioni diverse. Hanno scoperto che nella struttura del semiconduttore si formano polaroni di Fermi sotto eccitazione ottica e non, come precedentemente ipotizzato, eccitoni o trioni. "I dati disponibili all'epoca erano sempre stati interpretati in modo errato dalle ricerche, compresa la mia", ammette Imamoğlu. "Con il nostro nuovo esperimento, ora abbiamo corretto il quadro precedente".

Performance del team con il ricercatore ospite

"L'intero progetto è stato un lavoro di squadra in cui il professore Eugene Demler ha svolto un ruolo fondamentale. Ha lavorato con noi per diversi mesi come ITS Fellow", racconta Meinrad Sidler, dottorando del gruppo di Imamoğlu. L'Istituto per gli Studi Teorici (L'ETH) dell'ETH promuove dal 2013 la ricerca interdisciplinare all'interfaccia tra matematica, informatica teorica e informatica. Soprattutto, la ricerca basata sulla pura curiosità scientifica deve essere facilitata con l'obiettivo di trovare le idee migliori in luoghi inaspettati.

Nello studio di Imamoğlu e colleghi, pubblicato sulla rivista "Nature Physics", questo principio ha già dato i suoi frutti. La ricerca di Eugene Demler si concentra sugli atomi ultrafreddi e studia il comportamento delle miscele di atomi bosonici e fermionici. "Grazie alla sua comprensione dei polaroni nei gas e nei solidi atomici, Demler ha dato alla nostra ricerca impulsi importanti e interessanti che probabilmente non avremmo trovato da soli", afferma Imamoğlu.

Superconduttività indotta dalla luce

Le scoperte terranno Imamoğlu e i suoi collaboratori impegnati per un po' di tempo a venire, poiché l'interazione tra particelle bosoniche (ad esempio gli eccitoni) e fermioniche (gli elettroni) è oggetto di un importante progetto di ricerca per il quale Imamoğlu ha vinto l'anno scorso un Advanced Grant del Consiglio europeo della ricerca (CER) e che è finanziato anche dal Centro Nazionale di Competenza in Scienza e Tecnologia Quantistica (NCCR QSIT) è in fase di promozione. Una migliore comprensione di queste miscele di quasiparticelle avrebbe importanti implicazioni per la ricerca fondamentale da un lato, ma dall'altro promette anche interessanti applicazioni. Ad esempio, un obiettivo centrale del progetto ERC è quello di dimostrare come la superconduttività possa essere controllata con l'aiuto della luce laser.