Una collaborazione guidata dall’Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), con contributi fondamentali della SISSA, ha sviluppato il primo modello teorico dell’effetto Hall quantistico frazionario in una cavità. I risultati, pubblicati su Physical Review X, gettano le basi per futuri esperimenti e offrono nuove prospettive sull’interazione luce-materia nei materiali quantistici.
L’effetto Hall quantistico frazionario è un fenomeno in cui sistemi elettronici mostrano una conduttività quantizzata in condizioni estreme. È stato studiato a lungo in spazio libero, ma i ricercatori stanno ora esplorando cosa accade quando questi sistemi vengono confinati in cavità ottiche, ambienti controllati in cui luce e materia interagiscono in modo molto intenso.
Il nuovo modello, sviluppato con il contributo di ICTP, SISSA, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Università di Trento e Indian Institute of Technology di Chennai, prevede l’emergere dei cosiddetti graviton-polaritoni: particelle ibride che derivano dall’interazione tra fotoni e un particolare tipo di quasiparticella noto come gravitone.
"Il nostro modello mostra che i fotoni nella cavità interagiscono in particolare con un tipo elusivo di quasiparticelle – entità emergenti che catturano il comportamento collettivo di elettroni fortemente interagenti – che, in analogia con le onde gravitazionali, è stato chiamato gravitone. Questa interazione dà origine a stati ibridi, in cui materia e luce sono correlate, i gravitoni-polaritoni", spiega Zeno Bacciconi, primo autore dello studio e dottorando alla SISSA sotto la supervisione di Marcello Dalmonte dell'ICTP, coautore dell'articolo.
"Questo nuovo quadro teorico ci permette di capire meglio come si comporta l’effetto Hall quantistico in presenza di una cavità. Il modello ci ha permesso inoltre di prevedere quali segnali permetteranno di distinguere i gravitoni-polaritoni nelle misure di spettroscopia, offrendo così un’indicazione precisa su come cercare questi stati ibridi in esperimenti futuri", afferma Dalmonte.
Lo studio fornisce nuove importanti informazioni anche su precedenti risultati sperimentali contrastanti, che in alcuni casi suggerivano una rottura della quantizzazione della conduttanza quando i materiali quantum Hall erano confinati in cavità. “Il nostro modello mostra chiaramente che la cavità non altera il carattere fondamentale del sistema”, afferma Bacciconi. “Sono necessari ulteriori studi per colmare il divario rimanente tra le nostre previsioni teoriche e le osservazioni sperimentali”.
Questo lavoro rappresenta un passo importante in un campo in rapida evoluzione: lo studio dei materiali quantistici integrati in cavità. Man mano che la ricerca prosegue nell’esplorare nuovi modi per controllare la materia quantistica, i risultati di questo studio costituiranno un riferimento fondamentale per futuri sviluppi teorici e sperimentali.