Eccitoni di Hubbard, il primo esperimento per rilevarli
Un team di ricerca della Caltech è riuscito a svolgere il primo esperimento con l’obiettivo di osservare come si formano in tempo reale gli eccitoni di Hubbard. Scopriamo insieme perché questo risultato è così importante.
Sentiamo spesso parlare di elettroni, protoni, neutroni, i costituenti fondamentali di tutti gli atomi, e bene o male abbiamo tutti un’idea di cosa sono. Molto più raramente sentiamo parlare di eccitoni, anche se in realtà sono molto importanti soprattutto per lo sviluppo di alcune tecnologie legate proprio alla loro presenza.
Esistono vari tipi di eccitoni, la maggior parte dei quali sono legati dalle forze di Coulomb, noi però in questo articolo ci dedicheremo ad un particolare tipo di eccitoni legati dal magnetismo, si tratta degli eccitoni di Hubbard che devono il loro nome al fisico che ne ha fatto la scoperta John Hubbard.
Infatti è stato da poco pubblicato uno studio di un gruppo di ricercatori della Caltech su Nature Physics che afferma di essere stati in grado di allestire il primo esperimento per rilevare come si formano in tempo reale questi eccitoni.
Ma cos’è un eccitone?
Procediamo però con ordine spiegando cos’è un eccitone. Per farlo dobbiamo partire da un elettrone, una particella subatomica con carica elettrica negativa, ed immaginiamo di eccitarlo tramite una radiazione luminosa. In questo modo l’elettrone eccitato abbandona la sua posizione nello stato fondamentale, lasciando quindi una lacuna di carica opposta alla sua quindi positiva, e si sposta in uno stato quantico di maggiore energia, ossia quello eccitato.
La lacuna e l’elettrone hanno quindi carica rispettivamente positiva e negativa. Noi sappiamo che elementi con carica opposta sono attratti l’uno dall’altro e formano un legame, questa coppia prende il nome di eccitone. Le forze che legano queste coppie sono solitamente elettriche o elettrostatiche ma non in questo esperimento.
È proprio il primo autore di questo studio, Omar Mehio, che spiega come utilizzando una sonda spettroscopica avanzata siano stati in grado di osservare in tempo reale la generazione e il decadimento degli eccitoni legati magneticamente: gli eccitoni di Hubbard. Prosegue aggiungendo che:
Cosa sono gli isolanti di Mott?
Un isolante ferromagnetico di Mott è una classe di materiali isolanti che tramite l’interazione elettrone-elettrone del materiale stesso, invece di comportarsi come un conduttore elettrico, come vorrebbe la teoria a bande per elettroni non interagenti, si comporta appunto come un isolante.
I ricercatori hanno quindi eccitato tramite della luce gli elettroni di questo materiale che hanno di conseguenza lasciato delle lacune, formando quindi una sorta di scia composta da una serie di eccitazioni magnetiche.
In generale però gli eccitoni sono instabili perché elettrone e lacuna hanno carica opposta e quindi si attraggono, hanno quindi una durata molto breve, difficile da osservare. Per riuscire nel loro intento i ricercatori hanno dovuto utilizzare la spettroscopia al terahertz ultraveloce nel dominio del tempo.
Fino ad ora gli eccitoni sono stati utilizzati in molte tecnologie basate appunto sulla forza di Coulomb, come pannelli solari, fotorivelatori, sensori, oltre a diodi emettitori di luce presenti nei televisori e negli schermi digitali. Questa nuova evidenza scientifica potrebbe far fare un grosso passo avanti alle nuove tecnologie. Infatti come afferma Omar Mehio:
Non ci resta dunque che attendere ulteriori studi per scoprire altri risvolti di questa nuova scoperta.