Si chiama anyon - in italiano qualunquone - ed è l'ultima scoperta nel campo delle quasiparticelle dopo più di trent’anni di ricerca. Sebbene lo studio sia ancora in attesa di revisione paritaria, i risultati degli esperimenti che ne attesterebbero l'esistenza sono stati recentemente pubblicati su Nature.

Nell'intervista a Pieralberto Marchetti, professore di Fisica teorica dell'università di Padova, spieghiamo in cosa consiste la scoperta e quali risvolti potrebbe avere in futuro.

Anzitutto va chiarito perché gli anyons vengono definiti quasiparticelle: "A differenza delle particelle elementari, che costituiscono tutta la materia, parliamo di quasiparticelle quando abbiamo enti in un materiale che si comportano come le particelle elementari, ma che esistono solo in quel materiale e non nel vuoto", dice Marchetti, "un esempio analogo si può riscontrare nell'acqua, che tipicamente non ha un comportamento particellare ma fluido, però se vi si formano dei vortici (che non esistono nel vuoto) essi per molti aspetti si comportano come delle particelle".

L'esistenza di questo tipo di quasiparticelle in dimensioni minori di quella fisica in cui viviamo era stata congetturata per la prima volta negli anni '70, ma un esempio concreto si ebbe solo negli anni '80 in un sistema di elettroni bidimensionale con l'effetto Hall quantistico frazionario -  il primo effetto che si spiegava soltanto attraverso gli anyons -, che valse il Premio Nobel per la fisica a Tsui, Störmer (sperimentali) e Laughlin (teorico).

Le particelle elementari possono essere distinte in fermioni e bosoni: perché con gli anyons non è possibile? " Tutte le particelle elementari e anche le quasiparticelle sono quantistiche e se identiche sono indistinguibili, quindi un loro scambio non può avere effetti fisici. Nel mondo quantistico le informazioni sono contenute in onde di probabilità; nel caso delle posizioni tale onda è descritta dal modulo quadro della funzione d'onda, ovvero una funzione complessa che ha come variabili le coordinate spaziali e il tempo t. Perciò se scambiamo due particelle identiche tale modulo quadro deve rimanere uguale, cioè la funzione d’onda può cambiare solo di una fase".

Prosegue, "In tre dimensioni spaziali scambiare due posizioni in senso orario o antiorario è equivalente (basta guardare da sopra o da sotto lo scambio), pertanto scambiare due volte in un verso equivale a non scambiare affatto. Quindi tale fase può essere solo +1 (per i bosoni) o -1 (per i fermioni), i cui quadrati, corrispondenti a due scambi, sono uguali a 1".

"Quando ci troviamo in due dimensioni, come nel caso degli anyons, la funzione d'onda può distinguere tra scambio in senso orario e antiorario: è come quando prendiamo due ciocche di capelli per fare una treccia.  Se le intrecciamo due volte nello stesso verso otteniamo una treccia se le intrecciamo in verso opposto la sciogliamo. Quindi nel momento in cui avvengono questi scambi, la funzione d'onda a priori può prendere una fase di angolo qualsiasi, in inglese “any”, da cui il nome anyons, non essendo più vincolata ad un quadrato uguale a 1. Questo effetto si chiama statistica frazionaria o di treccia".

Anyons are neither fermions nor bosons: they can only exist in a 2D universe as emergent, topological patterns. Physicists have now reported the smoking gun that anyons exist — and it looks like your pyjamas#MoarTopology #MoarPyjamaPatternshttps://t.co/qtkHTbRSYd

— Davide Castelvecchi (@dcastelvecchi) July 3, 2020

L'esperimento

L'obiettivo dell'esperimento condotto da Michael Manfra - un fisico sperimentale della Purdue University nel West Lafayette, Indiana - era di dimostrare l'esistenza degli anyons, teorizzata nell'effetto Hall quantistico frazionario. Tale effetto compare in un gas bidimensionale di elettroni a bassissima temperatura in presenza di un forte campo magnetico, nel quale c'è una riorganizzazione completa dei gradi di libertà che porta il sistema a comportarsi come un fluido incomprimibile. Gli anyons in questo materiale, in un certo senso analoghi ai vortici nell’acqua, portano flusso magnetico. Il loro comportamento però è diverso a seconda della loro posizione: al centro del campione essi sono fissi e più aumenta il campo magnetico più ne vengono generati (come i vortici in un recipiente d’acqua rotante al crescere della velocità di rotazione), mentre verso i suoi bordi gli anyons rimangono costanti in numero ma si muovono.

Come si comprende con l’esempio delle trecce, scambiare due volte nello stesso verso due anyons è equivalente a farne girare uno attorno all’altro.  Pertanto quando le quasiparticelle che si possono muovere girano attorno a quelle fisse, la funzione d’onda prende una fase che si può misurare con l’interferenza. Tuttavia, se cambia il numero di anyons fissi, cambia anche la fase: "Il salto della fase osservato è l'evidenza che qualcosa sta cambiando all'interno del sistema, e l'angolo di cui è cambiata la fase è esattamente quello previsto dalla teoria. Il cambiamento di fase è dunque una conferma diretta dell'esistenza degli anyons".

Perché l'aver provato la loro esistenza sembra aver mosso un passo in più verso la realizzazione del computer quantistico? Il computer quantistico è molto più potente di quello classico perché, sfruttando le onde di probabilità, riesce a fare più operazioni simultaneamente. Tuttavia, la sua costruzione presenta ancora molti aspetti critici. Come spiega Marchetti, "il problema sta nella stabilizzazione del calcolo quantistico in quanto il sistema alla base del "qubit" - quantum bit, ovvero l'unità elementare di informazione quantistica - presenta un'instabilità di fondo: l’interazione con l'ambiente esterno tende a introdurre errori e a ricondurlo ad un comportamento classico. La sfida sta nel rendere indipendente il sistema quantistico per preservarne al massimo le caratteristiche e dunque la potenza di calcolo".

Conclude: " Poichè le fasi prodotte dallo scambio degli anyons non dipendono dalla forma esplicita della loro traiettoria, esse sono estremamente stabili rispetto alle perturbazioni causate dall’ambiente circostante e, essendo gli anyons quantistici, esse sono quindi ideali per realizzare operazioni logiche e memorizzare le informazioni nel calcolo quantistico ".

Nonostante il percorso verso la realizzazione del computer quantistico presenti ancora molti ostacoli, la dimostrazione dell'esistenza di queste quasiparticelle esotiche ed elusive costituisce un passo importante verso la loro realizzazione e una conquista fondamentale per la fisica, che amplia significativamente la nostra conoscenza della materia.