La recente ricerca condotta da un team di fisici dell’Università di Würzburg, in Germania, ha portato alla luce un fenomeno affascinante: la formazione di tornado quantistici da parte degli elettroni in materiali speciali. Questa scoperta, pubblicata sulla rivista Physical Review X, potrebbe avere un impatto significativo sul futuro dell’elettronica, aprendo la strada a un nuovo campo noto come “orbitronica”. Questo approccio si basa sulla torsione degli elettroni, piuttosto che sulla loro carica elettrica, per il trasporto di informazioni nei circuiti elettronici e nei computer quantistici, promettendo una riduzione delle perdite energetiche.
Comprendere lo spazio di posizione e di momento
La fisica ha già dimostrato che gli elettroni possono formare vortici in materiali particolari. Tuttavia, la novità di questa ricerca risiede nella conferma sperimentale che tali particelle possono creare strutture simili a tornado nello spazio di momento. Questo concetto è cruciale per i fisici, poiché lo spazio di momento descrive il movimento degli elettroni in termini di energia e direzione, piuttosto che della loro posizione fisica. In altre parole, mentre lo spazio di posizione si riferisce a fenomeni più familiari come vortici d’acqua o uragani, lo spazio di momento offre una visione più astratta del moto degli elettroni. Fino ad ora, i tornado quantistici erano stati osservati solo nello spazio di posizione, rendendo questa scoperta ancora più significativa.
Dettagli dell’esperimento innovativo
I ricercatori sapevano teoricamente che i tornado quantistici potessero formarsi anche nello spazio di momento, ma non avevano mai trovato un metodo efficace per misurarli. Per affrontare questa sfida, il team ha scelto di studiare un cristallo semimetallico noto come arseniuro di tantalio, le cui proprietà quantistiche lo rendono ideale per la ricerca. Hanno utilizzato una tecnica avanzata chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo , che consente di illuminare un campione di materiale, estrarre elettroni e misurarne l’energia e l’angolo di uscita. Maximilian Ünzelmann, co-autore dello studio, ha spiegato che questo metodo fornisce una visione diretta della struttura elettronica di un materiale nello spazio di momento. Adattando questa tecnica, i ricercatori sono riusciti a misurare il momento angolare orbitale degli elettroni, rivelando che il vortice quantistico è generato dal loro moto circolare attorno ai nuclei atomici.
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La conferma dell’esistenza dei tornado quantistici
Ogni osservazione effettuata dal team rappresentava una sorta di istantanea bidimensionale degli elettroni nel materiale. Per confermare l’esistenza dei tornado quantistici, è stato necessario inserire ogni misurazione in un modello tridimensionale. Ünzelmann ha spiegato che il team ha analizzato il campione strato per strato, simile a una tomografia medica. Combinando le immagini ottenute, sono riusciti a ricostruire la struttura tridimensionale del momento angolare orbitale, confermando che gli elettroni formano effettivamente vortici nello spazio di momento. Questa scoperta non solo offre nuove prospettive per l’elettronica, ma potrebbe anche portare allo sviluppo di dispositivi completamente nuovi, definiti orbitronici, che potrebbero trasformare il modo in cui gestiamo e utilizziamo l’energia.