Prima realizzazione in assoluto dello stato di Laughlin

La scoperta degli effetti di hall quantistici durante gli anni ’80 ha rivelato nuove forme di materia chiamate “stati di Laughlin”, dal nome del premio Nobel americano che li ha distinti con successo teoricamente.

Questi strani stati appaiono in modo univoco nei materiali 2D, in condizioni estremamente fredde e quando sono soggetti a un campo magnetico estremamente forte. Nel caso di Laughlin, gli elettroni formano un liquido insolito, in cui ogni elettrone danza intorno ai suoi congeneri evitandoli il più possibile.

L’eccitazione di un tale fluido quantistico genera stati collettivi che i fisici associano a particelle fantasma, le cui proprietà sono fondamentalmente diverse dagli elettroni: questi “ioni” portano una carica frazionaria (parte della carica elementare) e sfidano sorprendentemente la classificazione standard delle particelle in termini di bosoni o fermioni.

Per molti anni, i fisici hanno esplorato la possibilità di realizzare stati di Laughlin in altri tipi di sistemi rispetto a quelli forniti dai materiali a stato solido, alla luce di ulteriori analisi delle loro proprietà speciali. Tuttavia, i componenti richiesti (la natura bidimensionale del sistema, l’intenso campo magnetico e le forti correlazioni interparticellari) si sono dimostrati molto impegnativi.

Scrivere naturaUn team internazionale riunito attorno al gruppo sperimentale di Marcus Grenier ad Harvard ha riportato la prima realizzazione dello stato di Laughlin utilizzando atomi neutri molto freddi manipolati dai laser.

L’esperimento consiste nell’intrappolare alcuni atomi in una scatola ottica e nell’implementare gli ingredienti necessari per creare questo strano stato: un forte campo magnetico sintetico e forti interazioni repulsive tra gli atomi.

Nel loro articolo, gli autori rivelano le proprietà distintive dello stato di Laughlin visualizzando gli atomi uno per uno attraverso un potente microscopio a gas quantistico. Mostrano la strana “danza” delle particelle, che orbitano l’una intorno all’altra, così come la natura parziale dello stato atomico di Laughlin realizzato.

Questa pietra miliare apre le porte a un nuovo vasto campo per esplorare gli stati di Laughlin e i loro cugini (ad esempio, il cosiddetto stato di Moore-Read) nelle simulazioni quantistiche. La possibilità di creare, visualizzare e manipolare qualsiasi gemma sotto un microscopio a gas quantistico è particolarmente allettante, alla luce dello sfruttamento delle loro proprietà uniche in laboratorio.

Riferimento: “Achieving the Fractional Quantum Hall State with Extremely Cold Atoms” di Julian Leonard, Suchin Kim, Joyce Cowan, Perrin Segura, Fabian Grosdt, Cecil Replin, Nathan Goldman e Marcus Grenier, 21 giugno 2023, disponibile qui. natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4