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Il mistero delle particelle di Majorana

La figura illustra come potrebbero allinearsi le particelle di Majorana sotto l’azione di due campi magnetici opposti (rosso) che interagiscono con un materiale isolante superconduttore (blu).
Credit: Neupert, Onoda, and Furusaki, PRL 105, 206404 (2010)

Da qualche settimana, i titoli apparsi sui media relativamente alla “scoperta” del bosone di Higgs hanno catturato l’immaginario collettivo, in particolare tra i fisici che vogliono comprendere la vera essenza del cosmo. Si tratta, però, di un piccolo tassello che pare abbia aperto una porta verso la soluzione di uno dei tanti enigmi ancora da svelare (vedasi Enigmi Astrofisici). Nonostante ciò, la fisica teorica Lorenza Viola del Dartmouth College sta cercando di risolvere un mistero della fisica fondamentale: la particella di Majorana.

Si tratta di una particella che dovrebbe esistere al confine tra materia e antimateria, una sorta di particella ibrida avente le proprietà comuni sia alle particelle che alle antiparticelle. Ora, a differenza di quanto accade nel momento in cui materia ed antimateria collidono, scomparendo e rilasciando una grande quantità di energia, le particelle di Majorana si comportano diversamente, in altre parole esse rimangono stabili. Queste particelle potrebbero aiutare i fisici a risolvere altri problemi anche in termini della ridefinizione di alcune proprietà dell’Universo. Infatti, alcuni astrofisici hanno suggerito che le particelle di Majorana potrebbero essere le componenti della materia scura che, come è noto, costituisce l’80% circa della materia presente nello spazio. Tuttavia, gli sforzi sperimentali da parte dei ricercatori non hanno portato finora alla rivelazione di alcun tipo di particella di Majorana. I teorici ritengono che tali particelle potrebbero apparire collettivamente come “quasiparticelle” costituite da elettroni ordinari legati ai nuclei atomici in particolari condizioni fisiche. Oggi, Lorenza Viola e il suo gruppo di ricerca stanno tentando di risolvere questo mistero che, quasi per ironia della sorte, sembra ricordare quello della scomparsa del celebre fisico Ettore Majorana quando nel 1938, salpato da Napoli verso Palermo, non fu mai visto. Dare la caccia alle particelle di Majorana è una cosa alquanto complicata dato che particelle e quasiparticelle vivono a livello subatomico nel bizzarro mondo della meccanica quantistica in cui le regole della fisica classica vengono meno. “Se per un momento immaginassimo di essere così microscopicamente piccoli come gli elettroni, forse potremmo capire come funziona il mondo della meccanica quantistica” spiega Viola. Grazie ad una collaborazione con il suo collega Gerardo Ortiz dell’Indiana University, Viola suggerisce che le particelle di Majorana si trovano da qualche parte in una sorta di “locale microscopico”. Gli scienziati hanno proposto un modello teorico che spiega come le quasiparticelle formino una classe di materiali esotici, noti come superconduttori topologici, che hanno una “doppia personalità”: in altre parole, sulla superficie esterna conducono l’elettricità, come i metalli, mentre nella parte più interna si comportano come superconduttori. La ricerca e la verifica sperimentale di queste proprietà topologiche della materia a livello quantistico forniranno una sorta di arena ricca di dati in cui sarà possibile esplorare la fisica delle misteriose particelle di Majorana.

ArXiv: Majorana modes in time-reversal invariant s-wave topological superconductors