Un gruppo di ricercatori della Purdue University è riuscito a confermare sperimentalmente una previsione teorica rimasta in sospeso per oltre tre decenni. Il team guidato da Michael Manfra ha ottenuto prove dirette del tunneling universale degli anioni in un liquido di Luttinger chirale, validando così le ipotesi formulate dal fisico X.-G. Wen nei primi anni Novanta. I risultati, pubblicati su Nature Physics, rappresentano un avanzamento significativo nella comprensione dei comportamenti quantistici nei sistemi bidimensionali sottoposti a intensi campi magnetici.
La sfida principale affrontata dai fisici riguardava la verifica sperimentale di proprietà previste dalla teoria del liquido di Luttinger chirale, un framework teorico che descrive il movimento collettivo di eccitazioni frazionarie lungo canali unidimensionali ai bordi degli stati quantistici di Hall. Nonostante questa teoria fosse stata sviluppata già negli anni Novanta, gli esperimenti condotti fino ad oggi non erano riusciti a produrre conferme definitive, lasciando un divario tra previsioni teoriche e osservazioni empiriche.
Il punto di partenza dello studio è il comportamento peculiare degli elettroni in sistemi bidimensionali immersi in forti campi magnetici, dove questi formano i cosiddetti liquidi di Hall quantistici frazionari. Si tratta di stati esotici della materia in cui gli elettroni si comportano collettivamente, dando origine a nuove quasiparticelle chiamate anioni che portano solo una frazione della carica elettronica e obbediscono a statistiche quantistiche inusuali.
Per superare le limitazioni degli esperimenti precedenti, Manfra e i suoi collaboratori hanno sviluppato una nuova architettura di eterostruttura basata su un design innovativo chiamato "screening well". Come spiega lo stesso Manfra: "La nostra idea era che questo nuovo design potesse superare una sfida importante nella dimostrazione delle proprietà del liquido di Luttinger chirale, ovvero il confinamento debole dei modi di bordo che porta alla ricostruzione dei margini e a comportamenti non ideali". Questa intuizione si è rivelata cruciale per rendere osservabili sperimentalmente fenomeni altrimenti sfuggenti.
L'apparato sperimentale prevedeva l'utilizzo di un contatto a punta quantica, una struttura composta da due stretti gate metallici distanti tra loro circa 300 nanometri. Questa configurazione ha permesso di avvicinare due modi controdirezionali dello stato quantistico di Hall con fattore di riempimento n=1/3, consentendo agli anioni di effettuare il tunneling da un bordo all'altro. Il risultato è una corrente di tunneling misurabile con amplificatori sensibili, sebbene di intensità estremamente ridotta, dell'ordine del picoampere.
Le misurazioni sono state effettuate in un frigorifero a diluizione, un dispositivo speciale in grado di raggiungere temperature estremamente basse dell'ordine dei millikelvin, in presenza di campi magnetici intensi di circa 10 Tesla. Queste condizioni estreme erano necessarie per osservare i fenomeni quantistici previsti dalla teoria. I ricercatori hanno analizzato la dipendenza della conduttanza di tunneling dalla tensione e dal campo magnetico, riuscendo a stabilire che l'esponente di scala è effettivamente g=1/3, esattamente come previsto da Wen.
Una caratteristica distintiva dei liquidi di Luttinger chirali rispetto ai più familiari liquidi di Fermi riguarda la relazione tra corrente e tensione. Mentre nei normali resistori ohmici la corrente aumenta linearmente con la tensione applicata, nei liquidi di Luttinger chirali questa relazione è non lineare e segue quella che i fisici chiamano "legge di potenza". Questa peculiarità è stata uno degli elementi chiave verificati nell'esperimento.
Il lavoro del gruppo di Purdue non si è limitato alla misurazione dell'esponente di scala. Utilizzando interferometri Fabry-Pérot elettronici, un approccio già impiegato dal team per anni, i ricercatori hanno completato una caratterizzazione dell'ordine topologico dello stato n=1/3. Come sottolinea Manfra: "Abbiamo ora misurato l'esponente di scala, la carica dell'anione e le statistiche di intrecciamento anionico in un'unica piattaforma di dispositivo. Questo specifica completamente l'ordine topologico a n=1/3".
Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre la conferma di una teoria consolidata. Il successo dell'architettura sperimentale apre nuove possibilità per lo studio di altri stati quantistici ancora più enigmatici, come il presunto stato non abeliano a n=5/2. Manfra esprime inoltre la speranza che l'approccio sviluppato possa essere applicato ad altri sistemi materiali interessanti, inclusi quelli studiati dalla comunità dei materiali bidimensionali e dei liquidi di spin quantistici.