DA PALLONE DA CALCIO A PALLA DA RUGBY

Quel mutevole confine dei fermioni

Osservata per la prima volta la deformazione della superficie di Fermi in un gas dipolare degenerato di atomi di erbio. I risultati dell’esperimento, realizzato all’Università di Innsbruck sotto la guida della fisica italiana Francesca Ferlaino, sono pubblicati su Science

Il "team dell'erbio" al completo. Da sinistra: Kiyotaka Aikawa, Albert Frisch, Simon Baier, Michael Mark e Francesca Ferlaino. Crediti: Erbium Team, University of Innsbruck

Il “team dell’erbio” al completo. Da sinistra: Kiyotaka Aikawa, Albert Frisch, Simon Baier, Michael Mark e Francesca Ferlaino. Crediti: Erbium Team, University of Innsbruck

Se siete un atomo di erbio e volete trascorrere un’esistenza tranquilla, tenetevi alla larga dall’Istituto di fisica sperimentale dell’Università di Innsbruck. Là dentro c’è una squadra di scienziati che, con l’erbio, ne combina di tutti i colori. Sei mesi fa erano finiti sulle pagine di Nature – subito riprese qui su Media INAF – per aver gettato una nuvola di quei poveri atomi nel caos (quantistico) più totale. Ora, sempre sotto la guida di Francesca Ferlaino, che prima di diventare a soli 36 anni professore ordinario a Innsbruck s’è formata in tre centri d’eccellenza del Belpaese (Federico II a Napoli, Sissa a Trieste e Lens a Firenze), ce li ritroviamo sulle pagine di Science. Questa volta, agli atomi di erbio – o meglio, come vedremo, alla superficie di quel mare impalpabile che segna la distribuzione energetica dei loro elettroni – hanno letteralmente cambiato i connotati: dalla perfezione sferica d’un pallone da calcio alla sagoma elissoidale d’una palla da rugby.

Un’impresa, la loro, con conseguenze importanti per la fisica quantistica, in particolare per lo studio del comportamento quantistico dei materiali. Un’impresa i cui presupposti teorici risalgono alla prima metà del secolo scorso, e sono associati a due giganti della fisica: il principio d’esclusione di Pauli e la superficie di Fermi. È infatti l’impalpabile confine che prende il nome da Enrico Fermi il protagonista di questa scoperta. Ma di cosa si tratta? «È un fondamento teorico sul quale si basa la comprensione di effetti che riguardano i fermioni, ovvero le particelle a spin semintero», spiega a Media INAF Francesca Ferlaino. «La superficie di Fermi definisce il livello di energia che separa gli stati energetici occupati dagli stati vuoti. La sua esistenza si basa sul principio di esclusione di Pauli, un pilastro della meccanica quantistica: due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato energetico. Quindi se hai 10 fermioni – e noi ne abbiamo mezzo milione! – occuperanno 10 livelli energetici, ognuno con un’energia un po’ più alta del precedente. Il decimo livello avrà un’energia pari all’energia del livello di Fermi, che corrisponde appunto alla superficie di Fermi».

Ebbene, ciò che Ferlaino e colleghi sono riusciti a mostrare, con il loro esperimento, è come la forma della superficie di Fermi dipenda dalla geometria dell’interazione fra i fermioni, in questo caso atomi di erbio portati a una temperatura prossima allo zero assoluto. Se queste interazioni sono isotrope, ovvero identiche quale che sia la direzione nella quale le particelle sono orientate, la superficie di Fermi si presenta sferica. «Questo, in natura, è il caso normale, ed è alla base di molti fenomeni fisici. Ma quando l’interazione fra particelle è anisotropa, dunque dipendente dalla direzione», dice Ferlaino, «il comportamento fisico di un sistema è completamente alterato».

Alterato in che modo? Stando alle previsioni teoriche, introdurre interazioni anisotrope dovrebbe portare la superficie di Fermi ad assumere una forma ellissoidale. Ed è esattamente questo il fenomeno che a Innsbruck sono riusciti a riprodurre e osservare. Una deformazione significativa: il discostamento dalla sfericità osservato è attorno al 5%.

Un risultato, questo, per ora confinato fra le pareti di un laboratorio, ma di potenziale interesse in molti settori. «Il problema generale che abbiamo voluto affrontare riguarda il modo il cui la geometria delle interazioni fra le particelle influenza le proprietà quantistiche della materia. Ma la forma della superficie di Fermi», osserva infatti Ferlaino, «determina proprietà come quelle di trasporto e conduzione dei metalli. Ed è la posizione del livello di Fermi a decidere se il materiale è isolante o semiconduttore».

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