È stata recentemente identificata una particella davvero insolita, o più precisamente una “quasi-particella”, che possiede una massa soltanto se si muove in una determinata direzione. Questa scoperta è stata effettuata da un gruppo di fisici appartenenti a prestigiose università statunitensi, come Harvard, Cambridge, Princeton e Columbia. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review X.
La stranezza della meccanica quantistica
La meccanica quantistica ci ha abituato a fenomeni fuori dal comune: dall’enigmatico paradosso di Schrödinger, all’istantanea “comunicazione” tra particelle a grandi distanze, fino all’idea che il tempo stesso potrebbe essere solo un’illusione e che non esista una realtà oggettiva. Questa nuova scoperta rientra a pieno titolo tra queste bizzarrie: è stata infatti individuata una quasi-particella, chiamata semi-fermione di Dirac, che presenta la singolare caratteristica di avere una massa esclusivamente quando si muove in una specifica direzione.
Cosa sono le quasi-particelle?
Le quasi-particelle non sono vere particelle, ma rappresentazioni teoriche utilizzate nella fisica della materia condensata per descrivere fenomeni collettivi che si comportano come particelle. Questi concetti aiutano i fisici a semplificare lo studio di sistemi complessi, come quelli formati da numerosi elettroni, atomi e molecole che interagiscono tra loro.
Un esempio utile è quello di un cristallo: una struttura solida regolare, i cui componenti elementari (atomi o molecole) sono disposti in un reticolo geometrico. All’interno di un cristallo, gli elettroni interagiscono tra loro, con gli atomi del reticolo e con eventuali campi esterni. Questo insieme di interazioni può essere descritto come una nuova entità teorica, con caratteristiche simili a quelle di una particella, ma che esiste solo nel contesto del sistema in cui è generata. Alle quasi-particelle vengono attribuite proprietà tipiche delle particelle reali, come energia, momento, spin e, in alcuni casi, massa.
Massa e semi-fermione di Dirac
La massa, intesa comunemente come una proprietà che misura l’energia di una particella e la sua resistenza al movimento, ha un significato particolare nel caso delle quasi-particelle. Qui si riferisce alla risposta dell’entità a una forza applicata. Normalmente, la massa di una quasi-particella non dipende dalla direzione del movimento. Tuttavia, il semi-fermione di Dirac, osservato per la prima volta all’interno di un cristallo semimetallico di solfuro di silicio e zirconio, segue una regola diversa.
Questo materiale è particolarmente interessante per la fisica dello stato solido, grazie alle sue proprietà uniche, come una conduzione elettrica fortemente anisotropa (che varia a seconda della direzione). Raffreddato a una temperatura vicinissima allo zero assoluto (-269 °C), il semi-fermione di Dirac ha dimostrato di avere massa solo quando si muove in una specifica direzione. Questa caratteristica era stata teorizzata in passato, ma mai osservata sperimentalmente fino a oggi.
In conclusione, questa scoperta non solo arricchisce la nostra comprensione dei fenomeni quantistici, ma apre anche nuove possibilità di ricerca nel campo della fisica della materia condensata e delle sue applicazioni tecnologiche.
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