Per la prima volta le quasiparticelle fermioniche sono state sorprese a "scomparire" lentamente - Physics World

I ricercatori hanno osservato direttamente per la prima volta le quasiparticelle fermioniche “scomparire” lentamente. Questo atto di scomparsa ha avuto luogo vicino a una transizione di fase quantistica in un cosiddetto composto di fermioni pesanti. Oltre a far progredire la nostra comprensione della stabilità delle quasiparticelle fermioniche, tali transizioni potrebbero avere applicazioni nella tecnologia dell’informazione quantistica.

La transizione di fase più nota avviene quando l’acqua si trasforma improvvisamente in ghiaccio mentre si raffredda sotto 0°C. Le caratteristiche del ghiaccio sono molto diverse da quelle dell’acqua liquida: la densità del ghiaccio è molto inferiore, per esempio, e la sua struttura cambia radicalmente. In alcune transizioni di fase, tuttavia, il cambiamento avviene in modo più graduale. Ad esempio, il ferro passa da ferromagnetico a paramagnetico quando riscaldato a 760 °C, ma man mano che la transizione procede, il sistema impiega sempre più tempo per raggiungere l’equilibrio, rallentando così la transizione e rendendola più continua. Ciò significa che le due fasi (ferromagnetica e paramagnetica) si avvicinano energeticamente.

Questo fenomeno è tipico delle transizioni di fase che coinvolgono l'eccitazione dei bosoni, che sono particelle che mediano le interazioni (comprese le interazioni responsabili del magnetismo). A livello fondamentale, però, la materia non è costituita da bosoni, ma da fermioni.

"Gli elettroni appartengono alla famiglia dei fermioni", osserva un membro del team di studio Shovon Pal, “e la materia costituita da queste particelle solitamente non può essere distrutta a causa delle leggi fondamentali della natura. I fermioni quindi non possono scomparire ed è per questo motivo che normalmente non sono mai coinvolti nelle transizioni di fase”.

Sovrapposizione di due tipi di stati elettronici

Utilizzando misurazioni della spettroscopia nel dominio del tempo terahertz, Pal e colleghi in Manfred Fiebigil gruppo di ETH Zurigo, Svizzera hanno osservato questo rallentamento critico vicino a una transizione di fase quantistica in YbRh₂Si₂. Le quasiparticelle di questo materiale sono costituite da una sovrapposizione di due tipi di stati elettronici: uno composto da elettroni localizzati come quelli che si trovano in un isolante e uno composto da elettroni mobili come in un metallo. Una caratteristica sorprendente di questa sovrapposizione è che gli elettroni sono, in una certa misura, legati spazialmente, il che conferisce loro una massa effettiva 10³ a 10⁴ maggiore della massa a riposo di un elettrone normale. I composti che supportano questo tipo di legame sono quindi noti come composti di fermioni pesanti.

A differenza degli elettroni “normali”, queste quasiparticelle, che esistono solo nel regime quantistico, possono essere distrutte durante una transizione di fase. Questo è il fattore chiave che permette loro di subire una transizione continua paragonabile a quelle che coinvolgono i bosoni, dice Pal.

Esponente critico

Nel loro studio, i ricercatori hanno estratto un parametro noto come esponente critico che si riferisce a un crollo della probabilità di formare questi stati esotici durante la transizione di fase. “Gli esponenti critici possono essere utilizzati per classificare le transizioni di fase e questo concetto può ora essere esteso per classificare le transizioni non solo associate alla rottura dei parametri dell’ordine bosonico, come la magnetizzazione in una transizione ferromagnetica, ma anche a transizioni di fase esotiche con la distruzione di elementi fermionici particelle”, spiega Pal, che ora è a NISER in India.

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I ricercatori hanno utilizzato la radiazione terahertz perché le sue scale di energia sono alla pari con le scale di energia intrinseca dei fermioni pesanti. “In seguito all’eccitazione THz, le quasiparticelle si rompono e scompaiono, portando il sistema in uno stato di non equilibrio”, spiega Pal. “Si sforza naturalmente di ritornare all’equilibrio attraverso il riemergere di quasiparticelle e questo processo di ricostruzione avviene dopo un certo ritardo temporale che corrisponde alle scale energetiche intrinseche dei sistemi di fermioni pesanti”.

Misurando questa risposta ritardata, il team è stato in grado di osservare e caratterizzare l'evoluzione – cioè la scomparsa e la ricomparsa – delle quasiparticelle.

Lo studio, dettagliato in Fisica della natura, evidenzia un nuovo modo di studiare le correlazioni a molti corpi in alcuni materiali quantistici esotici come i composti di fermioni pesanti. "È quindi un punto di partenza per molte ulteriori indagini su diversi materiali che svelano la fisica delle transizioni di fase nel mondo quantistico", dice Pal Mondo della fisica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/fermionic-quasiparticles-caught-slowly-disappearing-for-the-first-time/