Prevista per via teorica decine di anni fa, questa forma di materia condensata, in cui prevalgono coppie chiamate eccitoni, formate da elettroni e lacune elettroniche, è stata osservata per la prima volta grazie a una nuova tecnica di spettroscopia(red)

Illustrazione delle regioni (giallo) di un solido in cui si propagano gli eccitoni. (Credit: Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory)

Eccitonio, è così che fu chiamata quasi cinquant'anni fa una nuova forma della materia che ora, per la prima volta, è stata osservata da un gruppo di ricerca che firma un articolo su “Science” Il nome si deve alla particolare fisica che domina la struttura microscopica di questa forma di materia, in cui prevale la formazione dei cosiddetti eccitoni. Per capire di che cosa si tratta, occorre riassumere brevemente che cosa succede in un campione di materia condensata quando su di esso incide un impulso di luce di frequenza opportuna. Per effetto dell’energia trasferita da un fotone, cioè il quanto di luce, un atomo di materiale può eccitarsi, spostando un suo elettrone in un livello più esterno con energia superiore rispetto a quello di partenza.Questo processo lascia dietro di sé una lacuna elettronica, cioè una posizione vacante, che può essere considerata come il corrispettivo dell'elettrone, dotato però di carica opposta. In questo modo si forma una coppia, denominata eccitone: da una parte l’elettrone, con carica negativa, e dall’altra la lacuna, dotata di carica positiva; un po’ come avviene in un atomo d’idrogeno, in cui il nucleo positivo, formato da un solo protone, e l’elettrone orbitale negativo sono legati dall’interazione coulombiana. Proprio per questa possibilità di considerare la coppia elettrone-lacuna come un'unica entità fisica, l'eccitone fa parte dell'ampio insieme delle quasiparticelle, termine che si riferisce allo stato di eccitazione di un solido per diversi tipi di interazioni.Grazie al concetto di eccitone, i fisici sono in grado di descrivere in modo relativamente semplice ciò che succede all’interno della materia condensata. Nei decenni passati, il problemaera che non esisteva un metodo sperimentale in grado di distinguere tra eccitonio e uno stato della materia, la fase di Peierls, con cui condivide alcune caratteristiche osservabili, ma non la formazione di eccitoni.Peter Abbamonte, dell'Università dell'Illinois, e colleghi hanno osservato un composto noto come diseleniuro di titanio dicalcogenuro (1T-TiSe2) grazie a una nuova tecnica di osservazione spettroscopia, indicata con la sigla M-EELS, più sensibile alla rilevazione degli stati eccitati di un materiale rispetto alle tecniche convenzionali.Grazie a questa nuova tecnica, il gruppo è riuscito per la prima volta a misurare le eccitazioni collettive di coppie di elettroni-lacune, rilevando un segnale precursore del fenomeno, che si manifesta quando il materiale si avvicina alla temperatura critica di 190 kelvin (-83 gradi Celsius).“Questo risultato è estremamente importante”, ha spiegato Abbamonte. “Fin da quando il termine ‘eccitonio’ fu coniato da Bert Halperin, fisico teorico della Harvard University, i fisici di tutto il mondo hanno cercato di dimostrare la sua esistenza”.Le ipotesi di possibili applicazioni sono speculative; si tratta in ogni caso di un aver aggiunto un altro tassello al complesso quadro di conoscenze dei fenomeni più estremi che si verificano nella materia condensata.