Cercetătorii au descoperit un material ciudat făcut din particule subatomice

Oamenii de știință caută neîncetat următorul material ciudat, iar materialul făcut din particule subatomice este cel mai nou dintre acestea: un izolator bosonic corelat, după numele tehnic, care nu este doar un material nou, ci și o stare cu totul nouă a materiei.

Materialul făcut din particule subatomice este o rețea formată dintr-un strat de diselenură de wolfram și un strat de disulfură de wolfram așezate unul peste altul, dar care nu sunt aliniate complet.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Această ușoară nealiniere creează ceea ce este cunoscut sub numele de model moiré, iar aici a dezvăluit câteva proprietăți interesante.

Pentru a înțelege ce este special la material, trebuie să înțelegem ce sunt bosonii și fermionii. La nivel cuantic, particulele sunt grupate în două tipuri principale: bosoni (purtători de forță precum fotonii), care pot împărtăși aceeași stare cuantică, și fermioni (particule de materie precum electronii), care nu pot împărtăși aceeași stare cuantică. De obicei, este mai ușor de lucrat cu fermioni.

„Convențional, oamenii și-au concentrat majoritatea eforturilor pentru a înțelege ce se întâmplă atunci când reunești mai mulți fermioni”, spune Chenhao Jin, fizician de materie condensată la Universitatea din California, Santa Barbara (UCSB, din SUA).

„Principalul rezultat al muncii noastre este că practic am creat un nou material din bosoni care interacționează”, spune Jin.

Cum a fost creat materialul făcut din particule subatomice?

Fermionii au rotații cuantice pe jumătate întregi (de exemplu, ½, 3/2, 5/2), spre deosebire de rotațiile complet întregi (orice număr întreg) ale bosonilor; și lucrurile devin și mai interesante, scrie Science Alert.

Doi fermioni (un electron încărcat negativ și o „gaură” opusă încărcată pozitiv unde ar putea fi un electron) se pot lega pentru a forma un exciton cu o rotație completă, care apoi este capabil să funcționeze ca o particulă bosonică.

Folosind o tehnică bazată pe lumină numită spectroscopie pompă-sondă, cercetătorii au creat și au testat comportamentele excitonilor din sistemul lor, adică electronii din disulfura de wolfram și „găurile” din diselenura de wolfram.

Oamenii de știință au observat că excitonii ating o anumită densitate, conduși de interacțiuni puternice și devenind incapabili de mișcare. Această imobilitate a dus la o stare cristalină care a acționat ca un izolator, un material specific și o stare care nu au mai fost văzute înainte.

„Ceea ce s-a întâmplat aici este că am descoperit corelația care a condus bosonii la o stare foarte ordonată”, spune fizicianul Richen Xiong, de la UCSB.

La ce este utilă descoperirea?

Echipa crede că abordarea lor ar putea duce la descoperirea mai multor materiale bosonice și la o modalitate îmbunătățită de a studia bosonii în scenarii reale, mai degrabă decât în sisteme sintetice.

Dacă un material nou descoperit nu își va găsi instantaneu o utilizare practică, ați putea crede că nu este atât de important, dar aceste noi creații exotice îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă cum este alcătuit Universul din jurul nostru.

Deși excitonii au fost bine studiați în trecut, ceea ce este demn de remarcat aici sunt reacțiile puternice pe care le-au avut unul cu celălalt și proprietățile rezultate, create de rețeaua modelului moiré și de spectroscopia pompă-sondă.

„Știm că unele materiale au proprietăți foarte bizare. Și un obiectiv al fizicii materiei condensate este să înțeleagă de ce au aceste proprietăți bogate și să găsească modalități de a face aceste comportamente să apară mai fiabil”, spune Xiong.

Cercetarea a fost publicată în Science.

Vă recomandăm să citiți și:

Henry Cavendish, cercetătorul care a cântărit Pământul în 1797 cu două bile de metal

Paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen a fost supus la cel mai important test de până acum

Descoperire revoluționară: Oamenii de știință au creat molecule artificiale care se comportă precum cele reale

Un pensionar a uimit matematicienii din întreaga lume cu o descoperire râvnită de zeci de ani