I gravitoni, particelle che si ritiene trasmettano la gravità, non sono mai stati osservati. Ma qualcosa di molto simile è stato scoperto ora nei semiconduttori.
I fisici cercano i gravitoni da decenni. Queste sono le particelle virtuali che si pensa trasmettano la gravità. Queste particelle gravitazionali non si trovano nella vita reale. Ma un gruppo di fisici ora afferma di aver osservato eccitazioni simili a particelle, o “quasiparticelle”, in semiconduttori che assomigliano esattamente ai gravitoni.
I fisici possono utilizzare queste particelle simili ai gravitoni per comprendere il comportamento dei gravitoni reali. Ciò può aiutare a conciliare la relatività generale e la meccanica quantistica, che sono in conflitto tra loro.
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Una particella sfuggente
“Questa scoperta è come un ago in un pagliaio”, dice il fisico. Lauren Pfeiffer Dall'Università di Princeton negli Stati Uniti. Ha scritto la pubblicazione che ha dato inizio a tutto nel 1993. Lo ha fatto con diversi colleghi, compresi i fisici Aaron Pinchuk, morto nel 2022 prima che il team trovasse prove delle sfuggenti particelle. Trent'anni dopo la sua pubblicazione, gli studenti e i colleghi di Pinchuk, incluso Pfeiffer, completarono l'esperimento. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista scientifica natura.
Rotazione quantistica
Il team ha condotto il proprio esperimento con gli elettroni su un piano piatto dell’arseniuro di gallio semiconduttore. Lo hanno messo in un potente frigorifero e lo hanno esposto a un forte campo magnetico. In queste condizioni, gli elettroni si comportano in modo strano a causa degli effetti quantistici. Interagiscono fortemente tra loro, formando un fluido insolito e incomprimibile.
Questo fluido non è calmo, ma mostra movimenti collettivi in cui tutti gli elettroni si muovono insieme. Questi moti collettivi sono chiamati “quasiparticelle” perché si comportano come particelle.
Per studiare le quasiparticelle, il team ha puntato un raggio laser attentamente sintonizzato sul semiconduttore e ha analizzato la luce che rimbalza su di esso. Ciò ha dimostrato che l’eccitazione aveva il tipo di spin quantistico che in precedenza si supponeva avessero solo i gravitoni.
Lo spin quantistico è una proprietà che puoi considerare come lo spin di una particella, ma non del tutto. Sebbene la scoperta del team non sia un vero gravitone, è la cosa più vicina che i fisici abbiano scoperto finora.
Eccitazione
Sapevamo che nei nostri semiconduttori potevano esistere eccitazioni simili a quelle gravitoniche, dice il fisico Xiu Liu della Columbia University di New York, che ha partecipato all'esperimento. Tuttavia, ci sono voluti anni prima che i ricercatori riuscissero a ottenere un esperimento sufficientemente accurato da rilevare le particelle speciali. “In teoria la storia era più o meno completa, ma negli esperimenti non ne eravamo veramente sicuri”, dice Liu.
L'esperimento non è una vera analogia dello spazio-tempo. Gli elettroni sono confinati in uno spazio piatto e bidimensionale e si muovono molto più lentamente degli oggetti coperti dalla teoria della relatività. Tuttavia, il fisico afferma che l'esperimento è “molto importante”. Kun Yang della Florida State University, che non è stata coinvolta nello studio. Yang afferma che l'esperimento colma il divario tra diversi rami della fisica, come la fisica dei materiali e le teorie della gravità, in un modo che prima non era stato apprezzato.
Gravità quantistica
Dovremmo stare attenti a equiparare questo nuovo risultato con la scoperta dei gravitoni reali, dice il fisico Zlatko Babic, dell'Università di Leeds nel Regno Unito. I due sono abbastanza simili da utilizzare i sistemi elettronici come banco di prova per alcune teorie sulla gravità quantistica. Ma non è possibile utilizzare questo nuovo risultato per studiare ogni fenomeno quantistico a livello cosmico nello spazio-tempo, dice Babik.
I collegamenti tra questa eccitazione simile a particelle e i gravitoni teorici sollevano anche nuove idee sugli stati esotici degli elettroni, dice il fisico. Lingji Du dell’Università di Nanchino in Cina, che ha anche partecipato allo studio.
