27 febbraio 2014
Un esperimento su un semiconduttore colpito con brevi impulsi laser ha scoperto una nuova
quasiparticella. Battezzata “droplettone” perché è immaginabile come una minuscola goccia di
liquido, vive solo per qualche milionesimo di milionesimo di secondo, ma potrebbe aprire nuove
prospettive nello studio della fisica della materia condensata (red)
lescienze.it
È stata battezzata droplettone una nuova quasiparticella scoperta in uno studio dello statunitense
National Institute of Standards and Technology (NIST) a Boulder in Colorado, in collaborazione con
altri enti di ricerca, descritta in un articolo pubblicato su Nature. Il droplettone, dall’inglese
droplet (gocciolina), può essere immaginato come una minuscola goccia di liquido che si comporta per
molti aspetti secondo le leggi della meccanica quantistica.
Le quasiparticelle sono astrazioni utili per descrivere il comportamento di un campione di materia
condensata, in cui il gran numero di nuclei atomici ed elettroni tra loro interagenti rende il
sistema difficilmente trattabile dal punto di vista matematico.
In generale, il termine di quasiparticella si riferisce allo stato di eccitazione di un solido per
diversi tipi di interazioni: si parla dunque di fononi, quando si tratta di eccitazioni dovute ai
moti di vibrazione degli atomi, di polaroni, quando un elettrone interagisce con lo stato di
polarizzazione degli ioni circostanti, o ancora di magnoni, quando l’eccitazione collettiva riguarda
lo stato di spin delle particelle presenti.
Nel caso specifico di un semiconduttore, una radiazione elettromagnetica può eccitare un elettrone,
che abbandona il livello energetico legato all’atomo per raggiungere un livello di energia maggiore.
Questo processo lascia un posto vacante negli orbitali atomici, denominato lacuna elettronica, che
rappresenta il corrispettivo dell’elettrone, ma è dotata di carica positiva.
In questo contesto, l’eccitazione del materiale può essere descritta in modo relativamente semplice
considerando la coppia formata dall’elettrone e dalla lacuna elettronica, una quasiparticella
denominata eccitone, e l’attrazione coulombiana tra l’elettrone e la lacuna.
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Droplettone, la quasiparticella che sembra una goccia
Illustrazione del droplettone: questa nuova quasiparticella può essere immaginata come una bolla
formata da una manciata di coppie elettrone-lacuna, che scompare nell’arco di brevissimo tempo
(Cortesia Brad Baxley)
Nel caso della ricerca del NIST, la nuova quasiparticella è stata ottenuta eccitando un campione di
semiconduttore di arseniuro di gallio con un laser rosso ultraveloce, in grado di produrre circa 100
milioni d’impulsi al secondo. Quando l’intensità dell’impulso cresce, aumenta proporzionalmente il
numero di coppie elettrone-lacuna, fino a un valore di soglia della densità di eccitoni oltre il
quale l’associazione tra elettroni carichi negativamente e lacune cariche positivamente viene persa,
e si formano bolle elettricamente neutre.
Queste ultime sono assimilabili intuitivamente a goccioline di liquido, da cui il nome, anche se la
loro natura è essenzialmente quantistica: ogni singola gocciolina ha infatti un insieme ordinato di
livelli energetici discreti.
I droplettoni scompaiono in circa 25 picosecondi (milionesimi di milionesimi di secondo), un tempo
brevissimo, ma sufficiente da permettere in futuro lo studio, nella materia condensata, di questi
nuovi fenomeni collettivi, che emergono nei sistemi formati da molte particelle e che non si
possono ricondurre al comportamento dei singoli costituenti.
Nel corso della sperimentazione, i ricercatori hanno anche determinato le caratteristiche
quantistiche del doplettone calibrando l’intensità degli impulsi laser, il che fa ben sperare sul
fatto che in futuro si possano controllare queste nuove quasiparticelle a fini pratici, per esempio
nei sistemi optoelettronici, che integrano dispositivi che si scambiano segnali sia tramite correnti
elettriche sia tramite segnali ottici.
Le goccioline di coppie elettrone-lacuna sono note da tempo a chi studia la fisica dei
semiconduttori, spiega Steven Cundiff ricercatore del NIST, coautore dello studio. Ma si tratta di
centinaia di milioni di coppie, mentre il dropplettone è formato da una manciata di elettroni e di
lacune.
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