Effetti gravitazionali esotici osservati in un cristallo

Rappresentazione schematica di un semimetallo di Weyl (Credit: Bianguang/Wikimedia Commons)

Un fenomeno che si pensava potesse emergere solo in ambienti di fisica delle alte energie, per esempio nelle condizioni estreme presenti pochi istanti dopo il big bang, è stato invece osservato in laboratorio in un materiale quantistico.

Un effetto esotico in fisica delle particelle che, secondo la teoria, si sarebbe dovuto verificare in campi gravitazionali immensi – in prossimità di un buco nero, o nelle condizioni presenti appena dopo il big bang – è stato osservato in un grumo di materia in laboratorio.

Un gruppo guidato dal fisico Johannes Gooth dell’IBM Research, nei pressi di Zurigo, in Svizzera, afferma di aver trovato la prova di un effetto previsto da molto tempo chiamato anomalia assiale-gravitazionale. Secondo questo effetto, enormi campi gravitazionali – che la relatività generale descrive come il risultato di enormi masse che curvano lo spazio-tempo – dovrebbero distruggere la simmetria di particolari tipi di particelle che di solito si presentano in coppie di particelle tra loro speculari, creando più esemplari di una particella e meno dell’altra.

Il tipo di condizioni necessarie per dimostrare questa insolita violazione di una “legge di conservazione” fondamentale non può essere creato in laboratorio. Ma i ricercatori hanno sfruttato un peculiare parallelismo tra gravità e temperatura per creare un analogo di laboratorio dell’anomalia in cristalli di fosfuro di niobio. “Questa anomalia è così difficile da misurare che anche una prova indiretta è un importante passo avanti”, dice il membro del gruppo Adolfo Grushin, della Università della California a Berkeley.

All’interno del cristallo, è come se un cassetto pieno di paia di guanti acquisisse improvvisamente un eccesso di guanti destri perché alcuni di quelli sinistri hanno cambiato forma. Il risultato, pubblicato su “Nature”, rafforza un’idea emergente, secondo cui i materiali quantistici – cristalli le cui proprietà sono dominate da effetti della meccanica quantistica – possono essere usati come banchi di prova sperimentali per effetti fisici che altrimenti potrebbero essere visti solo in circostanze esotiche.

Quasiparticelle e materiali quantistici
Le particelle interessate dall’anomalia sono note come fermioni di Weyl, perché furono previste nel 1920 dal matematico Hermann Weyl. Queste particelle differiscono da altri tipi di fermioni (come l’elettrone) perché sembrano non avere massa e perché hanno un tipo di manulateralità, o chiralità. I fermioni di Weyl non sono mai stati visti come entità fisiche individuali, anche se si pensa possano essere coinvolti fugacemente nei decadimenti di altri tipi di particelle. Sono stati però visti come “quasiparticelle” in alcuni cristalli. In questi materiali, gli effetti quanto-meccanici fanno sì che gli elettroni del materiale possano muoversi insieme in modo che il loro comportamento collettivo somigli a quello di fermioni di Weyl. I fermioni di Weyl sono generalmente prodotti in numero pari, in coppie di particelle tra loro speculari.

Nel 2015, alcuni ricercatori hanno dimostrato che forti campi magnetici ed elettrici potrebbero rompere questa simmetria all’interno di un materiale quantistico noto come semimetallo di Dirac, dimostrando un effetto a lungo previsto in fisica delle alte energie chiamato anomalia assiale (o chirale).

Ora, la squadra di Gooth ha confermato che anche la gravità – o la curvatura dello spazio-tempo – può violare la simmetria. Per affermarlo, si basa su un collegamento tra effetti gravitazionali e temperatura secondo cui l’effetto della curvatura dello spazio-tempo sui fermioni di Weyl è matematicamente equivalente all’effetto di un gradiente di temperatura. In altre parole, l’anomalia dovrebbe presentarsi anche se una parte di un materiale in cui appaiono i fermioni di Weyl è più calda di un’altra.

Il motivo “è radicato nella famosa equazione di Einstein E = mc^2” spiega Gooth. “Nella teoria quantistica dei campi relativistica, i flussi di energia e massa si equivalgono”, aggiunge. “Il flusso di massa è determinato da gradienti del campo gravitazionale, mentre il flusso di energia dai gradienti di temperatura. Quindi, il gradiente di temperatura per i fermioni di Weyl relativistici imita il gradiente del campo gravitazionale”.

I ricercatori hanno misurato la conducibilità nel fosfuro di niobio cristallino – conosciuto come semimetallo di Weyl – in un circuito microelettronico. Quando hanno applicato un gradiente termico e un campo magnetico, hanno osservato una corrente elettrica indotta creata da uno squilibrio tra i due tipi di fermioni di Weyl: il numero di quasiparticelle sinistrorse che si muovevano in una direzione attraverso il campione non era uguale al numero di quelle destrorse che si muovono nella direzione opposta. Inoltre, “il comportamento della corrente, quando cambiamo il campo magnetico, è esattamente quello che prevede la teoria dell’anomalia assiale-gravitazionale”, dice Grushin.

Una prova convincente
Non tutti sono persuasi che i ricercatori abbiano osservato quello che sostengono. Boris Spivak, fisico dell’Università di Washington a Seattle insiste sul fatto che l’anomalia assiale-gravitazionale semplicemente non esiste nei semimetalli Weyl. Un gradiente di temperatura, dice, non può indurre gli elettroni a convertirsi tra due quasiparticelle di diversa chiralità. “Ci sono molti altri meccanismi che possono spiegare i loro dati”, afferma Spivak. Il fisico pensa che i ricercatori stiano solo misurando l’impatto di un campo magnetico sul ben noto effetto termoelettrico, in cui le correnti elettriche sono prodotte da gradienti di temperatura.

Ma Gooth e colleghi non sono d’accordo. Sostengono che l’esistenza dell’anomalia indotta dalla temperatura è fortemente sostenuta dalla teoria. E Subir Sachdev, uno specialista di effetti quantistici in materiali allo stato solido della Harvard University di Cambridge, in Massachusetts, dice che i ricercatori hanno “una prova convincente delle conseguenze fisiche dell’anomalia assiale-gravitazionale”.

L’esistenza dell’anomalia non era affatto in dubbio, aggiunge Sachdev, ma “è bello vedere che si manifesta in materiali reali”. Sachdev dice che questo conferma che la gravità interagisce con i campi quantistici nel modo indicato dalle teorie della relatività di Einstein.

Grushin sospetta che la comprensione di come questa anomalia si manifesta in simili materiali debba portare a una nuova fisica. E IBM spera che la scoperta possa essere usata in elettronica, perché genera una corrente elettrica all’interno del cristallo di fosfuro di niobio. I dispositivi che sfruttano l’anomalia potrebbero migliorare l’efficienza dei materiali in grado di generare energia elettrica da gradienti di temperatura, conclude Gooth.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su Nature il 20 luglio 2017. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)

lescienze.it

Effetti gravitazionali esotici osservati in un cristallo ultima modifica: 2017-08-03T17:32:33+00:00 da Richard
About the Author
Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)