Un nuovo stato della materia: l’eccitonio

RICERCA – Lo stavano cercando da cinquant’anni e alla fine lo hanno osservato per caso. Stiamo parlando dell’eccitonio, una forma di materia la cui esistenza era stata teorizzata da tempo, ma che non era mai stata osservata. La scoperta è stata pubblicata sulla rivista Science. Ad incappare nell’eccitonio è stato un team internazionale di ricercatori guidato da Peter Abbamonte, professore di fisica alla Illinois University, mentre spetta a Jasper van Wezel, professore di fisica della University of Amsterdam l’interpretazione teorica dell’esperimento che ha fornito la conferma della scoperta.

“Ricordo che Anshul era molto eccitato dal risultato delle nostre prime misure sul TiSe2. Eravamo nel laboratorio in piedi vicino la lavagna quando mi ha spiegato che avevamo osservato per la prima volta qualcosa che nessuno aveva mai visto prima: un plasmone morbido”. Così Mindy Rak, dottoranda nel team di Abbamonte assiema al collega Kogar Anshul, richiama il momento in cui ha realizzato cosa era emerso dai dati. Il plasmone morbido di cui parla è proprio la prova dell’esistenza dell’eccitonio ed è stato osservato in cristalli di titanio diselenio (TiSe2), un materiale semiconduttore molto studiato e ben conosciuto, riproducendo cinque volte i risultati in cristalli differenti.

L’eccitonio è un condensato, cioè uno stato della materia nel quale i fenomeni quantistici, che solitamente avvengono a livello microscopico, si manifestano invece a livello macroscopico come ad esempio nei superfluidi e nei superconduttori. E’ formato da eccitoni, delle particelle molto particolari la cui formazione è legata al comportamento degli elettroni in un reticolo cristallino. Questi sono legati in maniera differente agli atomi che formano il reticolo e, seppur oscillando e muovendosi in maniera casuale, mediamente si dispongono attorno ad essi in maniera ordinata in livelli sovrapposti.

Ad ogni livello corrisponde un energia di legame che diminuisce sempre di più verso l’esterno. Gli elettroni più lontani sono quelli meno legati e quelli che più facilmente possono allontanarsi dall’atomo e spostarsi verso altri atomi del reticolo. Ciò avviene quando acquisiscono una quantità di energia tale da fargli abbandonare il livello energetico della banda di valenza – quella degli elettroni legati – a fargli raggiungere il livello energetico della cosiddetta banda di conduzione – quella degli elettroni liberi di muoversi lungo il reticolo cristallino. Sia negli isolanti che nei semiconduttori quando un elettrone si allontana lascia dietro di se una lacuna nella banda di valenza. Questa si comporta come una particella positiva che tende a richiamare indietro l’elettrone fuggitivo e a fargli riprendere il suo posto nella banda di valenza. Ciò però non avviene immediatamente perché l’attrazione della lacuna viene schermata dalla presenza degli altri elettroni ed inoltre, l’elettrone fuggitivo per ritornare deve prima perdere energia. Gli elettroni attratti dalle lacune tendono quindi a formare delle coppie con esse che prendono il nome di eccitoni perché formate appunto dall’eccitazione di un elettrone quando salta nella banda di conduzione.  L’eccitonio si manifesta quando questo fenomeno si presenta in maniera collettiva negli elettroni di un cristallo.

Questo particolare stato della materia era stato teorizzato ben cinquant’anni fa, ma fino ad oggi gli scienziati non erano stati in grado di confermare la sua osservazione negli esperimenti. Infatti i segnali interpretabili come manifestazione di eccitonio potevano ugualmente indicare un fenomeno diverso, la transizione di fase di Peierls. Questa fase si manifesta in determinati materiali quando raggiungono una specifica temperatura e provoca un comportamento degli elettroni che dal punto di vista osservativo è simile all’eccitonio. Nessuno degli esperimenti fin’ora fatti aveva dato prove definitive e nessuna delle tecniche osservative sviluppate era riuscita a sciogliere questo nodo.

“Fin da quando negli anni ’60 è stato coniato il termine ‘eccitonio’  dal fisico teorico Bert Halperin, i fisici hanno cercato di dimostrare la sua esistenza. I teorici hanno dibattuto se sarebbe stato un isolante, un conduttore perfetto o un superfluido, con alcuni argomenti convincenti per le varie tesi. Fin dagli anni ’70 molti fisici sperimentali hanno pubblicato evidenze dell’esistenza dell’eccitonio, ma i loro risultati non erano prove definitive e potevano essere ugualmente spiegati con una convenzionale transizione di fase strutturale” spiega Abbamonte. A sciogliere il nodo è stato il suo team di ricerca, anche se come racconta Kogar “la scoperta è stata casuale.  Ma io e Peter abbiamo avuto una discussione 5 o 6 anni fa esattamente su questo argomento, anche se in un contesto differente. Così, anche se non abbiamo capito subito perché stava avvenendo nel TiSe2, sapevamo che si trattava di un risultato importante, uno di quelli che aveva fermentato nelle nostre menti per un po’ di anni” .

In effetti il team di ricerca non si aspettava certo un simile risultato mentre stava semplicemente testando una nuova tecnica per lo studio dei materiali. Si tratta di un’analisi sviluppata dallo stesso Kogar basata sulla spettroscopia a perdita di energia risolta nei momenti (M-EELS), una procedura che permette di studiare le proprietà di un materiale facendolo attraversare da un fascio di elettroni e osservando la perdita di energia e le deviazioni che subiscono. Per mettere velocemente alla prova il metodo di Kogar serviva un cristallo che fosse subito a disposizione e così l’hanno testata sul TiSe2 con risultati sorprendenti. I dati infatti indicavano che avevano osservato per la prima volta in assoluto un plasmone morbido, una particolare eccitazione collettiva degli elettroni. Questo si è manifestato quando il materiale raggiunge la temperatura critica di 190 K (circa -80 °C) e risulta essere proprio il fenomeno precursore della condensazione degli eccitoni. Aver osservato il plasmone morbido significa quindi aver osservato in diretta la formazione dell’eccitonio nel cristallo e costituisce di fatto la prima prova definitiva della scoperta dell’eccitonio.

Anche se al momento non vi sono applicazioni pratiche si tratta di una scoperta che promette di sbloccare ulteriori misteri della meccanica quantistica come è già avvenuto in passato per con lo studio di altri fenomeni quantistici macroscopici.

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