Sorprendente scoperta di una nuova particella

Quando nell'autunno del 1928 l'ETH Hermann Weyl assunse un incarico di visiting professor di un anno a Princeton, negli Stati Uniti, il fisico quantistico Paul Dirac aveva appena pubblicato la sua famosa equazione per l'elettrone. Questa formula descriveva le proprietà dei cosiddetti fermioni, particelle quantistiche con spin dimezzato, e annunciava l'era della moderna fisica delle particelle con le sue previsioni, comprese quelle dell'antimateria. Weyl riconobbe che l'equazione di Dirac in linea di principio consentiva anche soluzioni per particelle prive di massa. Nel 1929 pubblicò un articolo in cui descriveva queste particelle prive di massa con spin dimezzato. In seguito furono chiamate "fermioni di Weyl".

I fisici dell'ETH di Zurigo, insieme ai ricercatori dell'Università di Princeton negli Stati Uniti e dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino, hanno trovato una particella finora sconosciuta che il loro illustre predecessore aveva trascurato nei suoi calcoli e che è rimasta scoperta per quasi novant'anni. La particella è stata battezzata "fermione di Weyl di tipo 2".

Ricerca di nuove proprietà dei materiali

Gli scienziati si sono imbattuti nel nuovo tipo di particella durante la ricerca di proprietà fisiche precedentemente sconosciute dei cristalli del metallo tungsteno ditelluride (WTe₂) sono stati studiati. "In realtà stavamo cercando in particolare le cosiddette proprietà 'topologiche' del materiale, che rendono alcuni stati quantistici del materiale più resistenti all'interferenza", spiega Alexey Soluyanov, scienziato del gruppo di ricerca in Fisica computazionale dell'ETH di Zurigo.

Per simulare le proprietà fisiche dei cristalli metallici, i ricercatori hanno eseguito una simulazione sui supercomputer del National Supercomputing Centre per 200.000 ore. pagina esternaCSCS di Lugano e l'Accademia delle Scienze cinese stanno eseguendo dei calcoli. Dopo diverse settimane di analisi intensive, gli scienziati sono giunti alla conclusione di aver scoperto qualcosa di completamente nuovo: Nel cristallo di ditelluride di tungsteno doveva essere presente un tipo di fermione precedentemente sconosciuto, il fermione di Weyl di tipo 2.

Prima in teoria, poi dimostrato

Anche il fermione di Weyl "normale" inizialmente esisteva solo in teoria. Per molto tempo si è ipotizzato che i neutrini potessero essere fermioni di Weyl, ma poi i ricercatori hanno scoperto che hanno una massa, anche se piccola (per la cui dimostrazione è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica di quest'anno). Tuttavia, si sospettava ancora che i fermioni di Weyl potessero presentarsi come quasi-particelle (cioè stati collettivi di molti elettroni che interagiscono con i nuclei atomici nel cristallo) nei cosiddetti semimetalli.

Nel luglio di quest'anno, a Princeton e a Pechino sono stati effettivamente rilevati sperimentalmente i fermioni senza massa che Hermann Weyl aveva previsto a livello teorico: In un cristallo di arseniuro di tantalio, i ricercatori hanno trovato quasi-particelle che possedevano esattamente le proprietà dei fermioni di Weyl. Tra l'altro, la loro mancanza di massa consente loro di muoversi con estrema rapidità e di non essere disturbate dagli ostacoli presenti nel cristallo. Gli scienziati stanno già ipotizzando che questo potrebbe aprire possibilità completamente nuove per i componenti elettronici.

La particella che non dovrebbe esistere

I fermioni di Weyl di tipo 2 che sono stati trovati in teoria differiscono dai fermioni di Weyl convenzionali per un aspetto importante: in realtà non dovrebbero esistere. Almeno non se si assume, come fece Hermann Weyl all'epoca, che i fermioni debbano aderire alle regole della teoria speciale della relatività di Albert Einstein e quindi alla cosiddetta simmetria di Lorentz. Nella "natura", le particelle devono effettivamente seguire queste regole. Nell'universo artificiale di un cristallo, tuttavia, la simmetria di Lorentz può essere rotta, così che i possibili stati energetici che gli elettroni possono assumere differiscono significativamente da quelli che portano alla formazione dei normali fermioni di Weyl.

Questi stati energetici particolari potrebbero a loro volta conferire ai materiali con fermioni di Weyl di tipo 2 proprietà curiose e potenzialmente utili, come la capacità di condurre corrente elettrica solo in determinate direzioni sotto l'influenza di un campo magnetico. Resta da vedere se queste proprietà supereranno la prova pratica. "Al momento, il nuovo fermione di Weyl è una curiosità fisica", ammette Soluyanov, "ma molto eccitante - e c'è sicuramente un potenziale per le applicazioni". In ogni caso, i ricercatori hanno finalmente completato la ricerca di Hermann Weyl dopo decenni.