La coerenza degli eccitoni

Enrico Billi, mi ha segnalato cortesemente ieri notte un articolo "peer-reviewed" dove si parla della scoperta di un "nuovo" stato coerente della materia a bassa temperatura, in cui le coppie elettrone-lacuna (eccitoni) sembrano diventare fortemente correlate. Vi lascio la mia traduzione in italiano e il link all'articolo originale in inglese. Oggi mi sono ritrovato un pomeriggio libero tutto per me e ho scelto di utilizzarlo così.

Certo, queste evidenze sperimentali potrebbero fare la fine dei neutrini super-luminari di Antonio Ereditato, ma forse no. E allora un giorno magari si dirà che il buon Giuliano Preparata (1942-2000) ci aveva visto giusto, quando i tempi non erano ancora maturi per queste nuove teorie.

I fisici trovano modelli in un nuovo stato della materia

(PhysOrg.com) - I fisici dell'Università della California - San Diego hanno scoperto modelli che stanno alla base delle proprietà di un nuovo stato della materia.

Articolo originale: http://www.physorg.com/news/2012-03-physicists-patterns-state.html

Nella foto accanto, eccitoni auto-organizzati in un insieme ordinato che assomiglia a una collana di perle in miniatura.

In un articolo pubblicato nel numero del 29 marzo della rivista Nature, gli scienziati descrivono l'emergere di "coerenza spontanea", "strutture di spin" e "singolarità di fase" quando gli eccitoni -- coppie di elettroni e lacune ("holes") interagenti che determinano le proprietà ottiche dei semiconduttori e consentono loro di funzionare come nuovi dispositivi optoelettronici -- vengono raffreddati quasi allo zero assoluto. Questo raffreddamento porta alla produzione spontanea di un nuovo stato della materia coerente, che i fisici sono stati finalmente in grado di misurare in modo molto dettagliato nel loro laboratorio sotterraneo alla UC San Diego, a una temperatura appena un decimo di grado sopra lo zero assoluto.

La scoperta dei fenomeni che stanno alla base della formazione della coerenza spontanea degli eccitoni, produrrà senz'altro una migliore comprensione scientifica di questo nuovo stato della materia. Apre la strada inoltre verso nuovi "insight" sulle bizzarre proprietà quantistiche della materia e, col tempo, porterà allo sviluppo di nuovi dispositivi informatici e altre applicazioni commerciali nel campo della optoelettronica, dove la comprensione delle proprietà fondamentali della luce e della materia è necessaria.

Il gruppo di ricerca (http://www-physics.ucsd.edu/~lvbutov) è stato guidato da Leonid Butov, un professore di fisica presso la UC San Diego, che nel 2002 ha scoperto che gli eccitoni, a temperatura sufficientemente bassa, tendono ad auto-organizzarsi in un insieme ordinato di goccioline microscopiche, come una collana di perle in miniatura.

Usando un avanzatissimo sistema di refrigerazione, i fisici della UC San Diego sono stati in grado di raggiungere temperature dieci volte più fredde di quello raggiunte in precedenza, consentendo loro di misurare con un interferometro la coerenza e la rotazione di ogni perla o sferula all'interno di questa collana.

Ciò che hanno scoperto è che lo spin della particella eccitonica non è omogeneo nello spazio, ma forma modelli intorno a queste  sferule, che essi chiamano "strutture di spin". Hanno inoltre scoperto che un modello di coerenza spontanea è correlata con un modello di polarizzazione di spin e con singolarità di fase nel gas eccitonico coerente.

"È stata una sorpresa vedere questo modello", ha detto Alex High, uno studente laureato e principale autore dell'articolo. "Ed è stato ancor più sorprendente che le misure di polarizzazione abbiano dimostrato che c'è una forte correlazione tra coerenza e polarizzazione".

"Stiamo lavorando sia sulla comprensione delle proprietà di base degli eccitoni sia sullo sviluppo della elaborazione del segnale eccitonico", ha detto Butov. "La fisica degli eccitoni è interessante di per sé. Inoltre, la comprensione delle proprietà fondamentali degli eccitoni è necessaria per costruire dispositivi basati su essi in futuro. "

I fisici hanno scoperto una correlazione tra la coerenza (a sinistra) e la polarizzazione di spin (a destra) degli eccitoni.

I fisici hanno creato gli eccitoni puntando un fascio laser su dei campioni raffreddati di Arseniuro di Gallio, lo stesso materiale semiconduttore utilizzato per realizzare transistor nei telefoni cellulari.

La luce provoca l'espulsione degli elettroni dagli orbitali atomici da loro normalmente occupati all'interno del materiale. E questo crea un elettrone "libero" di carica negativa e una lacuna ("hole") di carica positiva.

La forza di attrazione elettrica mantiene questi due oggetti vicini, come un elettrone e protone in un atomo di idrogeno. Essa consente inoltre all'eccitone di esistere come una singola "particella" piuttosto che come un elettrone e una lacuna non interagenti. Tuttavia, poiché l'elettrone e la lacuna rimangono nelle immediate vicinanze, a volte si annichiliscono l'un l'altro in un lampo di luce, in modo simile all'annichilimento di materia e antimateria.

Per controllare questo annichilimento, Butov e il suo gruppo hanno separato gli elettroni e le loro lacune in diverse nano-strutture chiamate pozzi quantici. Questo permette la creazione di eccitoni con un tempo di vita sufficiente, circa 50 nanosecondi nell'esperimento.

"Durante questo periodo, si raffreddano, formano condensati e dimostrano interessanti caratteristiche di spin", ha detto High. "Alla fine l'elettrone e la lacuna si ricombinano e la luce torna fuori".

Nei loro esperimenti, i fisici hanno inviato tale emissione attraverso un complesso insieme di specchi chiamato interferometro, che divide la luce in due diversi percorsi. Questo ha permesso loro di confrontare due regioni spazialmente separate dello stesso campione, mettendoli in grado di vedere negli eccitoni minuti dettagli di coerenza spontanea mai visti prima.

"Precedenti esperimenti richiedevano fibre ottiche per fare qualsiasi tipo di misure ottiche in un refrigeratore a diluizione", ha detto High. "Ma con questa apparecchiatura si può effettivamente fotografare gli eccitoni a temperature estremamente basse."

"Si tratta di una scoperta molto interessante," ha aggiunto. "C'è di mezzo una fisica molto promettente."

Fornito dalla University della California - San Diego (news: web)