Un team guidato dalla Cina ha rilevato la prima prova sperimentale di particelle che si comportano come un gravitone, una particella ricercata da molto tempo che dà origine alla gravità, una forza fondamentale nel nostro universo.
Sondaggio della luce nei modi chirali dei gravitoni nei liquidi ad effetto Hall quantistico frazionario. Credito: Università di Nanchino.
Mettendo un sottile strato di semiconduttore in condizioni estreme ed eccitando i suoi elettroni in modo che si muovano all’unisono, i ricercatori dell’Università di Nanchino, insieme a colleghi degli Stati Uniti e della Germania, hanno scoperto che gli elettroni ruotavano in un modo che aspettava solo esistere nei gravitoni.
Anche se l’esperimento non ha confermato direttamente l’esistenza dei gravitoni, è stato più vicino di quanto gli scienziati fossero arrivati e avrebbe aperto una nuova strada per la ricerca dei gravitoni nei laboratori, informando il team sulla rivista Natura.
«Il nostro lavoro ha dimostrato la prima conferma sperimentale dei gravitoni nella materia condensata da quando la sfuggente particella fu concepita negli anni ’30», afferma Du Lingjie, autore principale dello studio dell’Università di Nanchino, all’agenzia di stampa statale Xinhua.
«Il gravitone è un ponte che collega la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale. Se sarà confermato, avrà enormi implicazioni per la ricerca nella fisica moderna”, ha aggiunto.
Secondo l’articolo, lo studio è stato altamente collaborativo. I ricercatori dell’Università di Princeton hanno preparato campioni di semiconduttori di alta qualità, mentre l’esperimento è stato condotto in un’installazione unica che ha richiesto tre anni per essere costruita.
L’esperimento
Nella sua teoria della relatività generale, Albert Einstein descrisse la gravità come distorsioni spazio-temporali causate da massa ed energia. Questa teoria, che spiega in modo meraviglioso la gravità su larga scala, pone sfide alla meccanica quantistica, che governa l’universo su scala più piccola. Di conseguenza, il gravitone fu proposto come una particella dedita al trasporto della gravità. Se esistesse, un gravitone dovrebbe essere privo di massa e viaggiare alla velocità della luce, solo che, fino ad ora, i gravitoni non erano mai stati osservati nello spazio.
Quando Du era ricercatore post-dottorato alla Columbia University nel 2019, il suo team ha scoperto un fenomeno di eccitazione speciale nei materiali quantistici che ha portato i fisici teorici a pensare che potesse segnalare il rilevamento di gravitoni.
In determinate condizioni, gli effetti quantistici fanno sì che gli elettroni si comportino in modo insolito: interagiscono fortemente tra loro e formano un liquido insolito.
Tuttavia, i requisiti per effettuare tali esperimenti erano elevati. Il sistema deve essere collocato in un potente frigorifero dove le temperature sono vicine allo zero assoluto ed esposto a un campo magnetico 100.000 volte più forte del campo magnetico medio della Terra.
Alcuni requisiti possono addirittura apparire contraddittori.
«Ad esempio, dobbiamo installare delle finestre sul frigorifero per eseguire misurazioni ottiche, ma le finestre possono far aumentare facilmente la temperatura del sistema», spiega Liang Jiehui, coautore dell’articolo, dell’Università di Nanchino.
«Lavorando a meno 273,1 gradi Celsius, il nostro speciale “microscopio” può catturare le eccitazioni delle particelle deboli fino a 10 gigahertz e determinarne la spina dorsale», ha spiegato.
I ricercatori hanno utilizzato un foglio piatto di semiconduttore all’arsenicidio di gallio che, quando esposto a basse temperature e a un campo magnetico, ha mostrato un fenomeno chiamato effetto Hall quantistico. Gli elettroni nel semiconduttore iniziarono a interagire tra loro e a muoversi in modo altamente organizzato, come un liquido.
Successivamente, l’apparecchiatura ha irradiato un laser finemente sintonizzato sul materiale per studiare la possibile eccitazione degli elettroni, scoprendo che si è scoperto che stavano creando una cosiddetta spina quantistica di tipo 2, che esisterebbe nei gravitoni. Misurarono il momento e l’energia degli elettroni e confermarono le prove che si comportavano in modo simile a un gravitone.
«Ci abbiamo messo tre anni per costruire il dispositivo sperimentale. È stato molto impegnativo e ce l’abbiamo fatta. Speriamo di continuare a usarlo per continuare la ricerca dei gravitoni. Tuttavia, porterà a risultati più all’avanguardia sulla frontiera quantistica”, ha concluso Du.
Fonte: SCMP. Edizione: deputato
