L’universo emergente da un liquido string-net

Xiao-Gang Wen del Massachusetts Institute of Technology e Michael Levin della Harvard University, hanno sviluppato una teoria che descrive un nuovo stato della materia, “venticinque anni fa pensavamo di aver compreso tutto sulle fasi e transizioni di fase della materia, quando in seguito un esperimento ci ha aperto un nuovo mondo”, ha raccontato Wen.
“Le posizioni degli elettroni nello stato FQH, sembrano casuali come in un liquido, ma esse danzano in modo organizzato e formano uno schema globale dinamico”.

Nell’esperimento che ha portato alla scoperta, gli elettroni formano uno stato che permette eccitazioni dette quasiparticelle e che hanno solo 1/3 della carica dell’elettrone, questo è detto effetto Hall quantistico frazionario. Si è compreso quindi che gli elettroni possono organizzarsi in modo da far emergere una quasiparticella con carica frazionaria e questo ha portato al premio Nobel di Laughlin, Horst Störmer and Daniel Tsui. Wen spiega, “se fate una foto alla posizione degli elettroni nello stato FQH, questa sembra casuale e pensereste di avere un liquido, ma se seguiste il moto degli elettroni, scoprireste che danzano in modo ben organizzato tra loro”, è come se fossero “entangled”. Wen ipotizza che i sistemi FQH abbiano come proprietà intrinseca l’entanglement a lungo raggio e che questa generi un legame complesso nell’intero materiale, inoltre ogni configurazione dell’entanglement corrisponderebbe ad un nuovo stato della materia.

Seguendo tale ragionamento, Wen e Levin hanno ideato un modello dove le particelle formano stringhe e quindi reti o “string-nets” che riempono lo spazio, di conseguenza gli elettroni potrebbero non essere particelle elementari, ma le estremità di lunghe stringhe in un liquido string-net, che rappresenta il nostro spazio. I due ricercatori hanno scoperto che, secondo questa ipotesi, nello stato string-net il moto delle stringhe corrisponde alle onde elettromagnetiche delle equazioni di Maxwell, che descrivono la luce o campo elettromagnetico! Inoltre questo modello riproduce in modo naturale altre particelle come i quarks, che compongono protoni e neutroni, i gluoni e i bosoni W e Z, quindi Wen e Levin hanno pensato, “lo spazio dell’intero universo potrebbe essere un liquido string-net e, se così fosse, spiegherebbe l’origine unificata di materia e luce”, che emergerebbero come difetti o “vortici” nella struttura dello spazio-tempo.

 

Wen fornisce la seguente spiegazione: “lo spazio “vuoto” non esiste e gli spins non sono nello spazio vuoto, senza gli spins non esiste lo spazio e i gradi di libertà degli spins permettono l’esistenza dello spazio. Quello che definiamo “spazio vuoto” corrisponde allo stato fondamentale del sistema di spin, mentre le eccitazioni collettive superiori allo stato fondamentale corrispondono alle particelle elementari. Fino a poco tempo fa questo non era riconosciuto come valido approccio, perchè non si conosceva una organizzazione di spins che producesse le onde elettromagnetiche (quindi i fotoni) ed onde di elettroni. Il problema è ora risolto, se gli spins che formano il nostro spazio si organizzano come un liquido string-net, allora il moto collettivo delle stringhe genera le onde luminose e le estremità delle stringhe generano gli elettroni, il prossimo passo è trovare la configurazione che descrive le onde gravitazionali”.

liquido di spins

Herbertsmithite (Wikipedia)

Presso il Massachusetts Institute of Technology, il gruppo di Young Lee ha cercato una prova a supporto della teoria di Wen e Levin, scoprendo un cristallo verde trovato in Cile nel 1972, chiamato Herbertsmithite  per ricordare l’esperto di minerali Herbert Smith che lo ha conservato da quel giorno. In questo materiale gli elettroni sono disposti in un reticolo bidimensionale detto Kagome. Tale disposizione triangolare rende fluttuante lo stato degli spins, formando un liquido di spins. La Herbertsmithite contiene impurità, quindi sono serviti due anni al gruppo di Lee, per studiarne lo stato degli spins, che anche a bassissime temperature, vicine allo zero assoluto, continua a fluttuare senza raggiungere un ordine magnetico preciso, “qualcosa che nessuno ha mai visto prima”, dice Lee.

Tutti i liquidi di spins conosciuti in teoria, sono liquidi string-net, nel caso specifico della Herbertsmithite, secondo Ying Ran, Michael Hermele, Patrick Lee e Xiao-Gang Wen, gli spins possono formare un liquido che contiene eccitazioni di tipo luminoso descrivibili dalle equazioni di Maxwell ed eccitazioni descrivibili dall’equazione di Dirac (elettroni), il risultato sarebbe come un universo bidimensionale contenente luce ed elettroni.
Infine il minerale Herbertsmithite, se fosse descrivibile da un liquido string-net, potrebbe divenire la base dei nuovi computers quantistici del futuro.
dao.mit.edu

Tratto dall’articolo “The universe is a string-net liquid” di Zeeya Merali del 14 marzo 2007, su Newscientist

L’universo emergente da un liquido string-net ultima modifica: 2018-08-13T18:04:51+00:00 da Richard
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