ACCOPPIATA A UN SINGOLO ELETTRONE

Una luce mai vista

Pubblicato su Nature Communications uno studio dell’Imperial College di Londra che riproduce l’interazione di fotoni con una nanoparticella di nuova generazione, un isolante topologico. L’esperimento permetterà una migliore comprensione dei fenomeni quantistici

In questa rappresentazione artistica è raffigurata la luce così come intrappolata sulla superficie di una nanoparticella di un isolante topologico. Crediti immagine: Vincenzo Giannini

In questa rappresentazione artistica è raffigurata la luce intrappolata sulla superficie di una nanoparticella di un isolante topologico. Crediti: Vincenzo Giannini

Da una ricerca svolta all’Imperial College di Londra sotto la guida di Vincenzo Giannini emerge la possibilità di creare una nuova forma di luce legando la luce stessa, quindi i fotoni, a un singolo elettrone, combinando così alcune proprietà di entrambe le particelle coinvolte.

In tal modo sarebbe possibile creare circuiti in grado di funzionare grazie a pacchetti di fotoni invece che grazie agli elettroni, permettendo così ai ricercatori di studiare nuovi fenomeni quantistici alla base delle interazioni tra particelle subatomiche.

Nei materiali “normali” la luce interagisce con gli elettroni presenti in superficie e all’interno del materiale, ma oggi usando i modelli della fisica teorica e, soprattutto, potendo utilizzare una nuova classe di materiali chiamati isolanti topologici – materiali la cui conduttività varia in base alla posizione, isolanti all’interno e conduttori in superficie – essa potrebbe interagire con uno solo degli elettroni presenti in superficie, dando origine a una coppia che manifesta alcune proprietà sia della luce che dell’elettrone coinvolto.

La luce, che segue normalmente un percorso in linea retta, nel momento in cui si lega all’elettrone devia il suo percorso per seguire quello dell’elettrone sulla superficie del materiale. Nello studio dell’Imperial College, pubblicato su Nature Communications, i ricercatori hanno creato dei modelli basati sull’interazione della luce attorno a una nanoparticella, una sfera dal diametro inferiore a 10 miliardesimi di metro composta da un isolante topologico.

I modelli hanno mostrato che, così come la luce assume parte delle caratteristiche dell’elettrone e circola attorno alla particella, anche l’elettrone dovrebbe a sua volta recepire alcune caratteristiche della luce. Normalmente, quando gli elettroni, viaggiando lungo un certo materiale (per esempio dentro a un circuito elettrico), s’imbattono in un’imperfezione del materiale stesso, ecco che si fermano. Il team guidato da Giannini ha invece scoperto che l’elettrone riuscirebbe comunque a continuare il suo viaggio, nonostante la presenza d’imperfezioni sulla superficie della nanoparticella esaminata, proprio grazie all’aiuto della luce. Se questa proprietà potesse essere applicata ai circuiti fotonici, essi risulterebbero meno vulnerabili e meno soggetti a interruzioni dovute a imperfezioni dei materiali utilizzati.

«Questi risultati sono destinati ad avere un impatto enorme sul modo in cui siamo abituati a concepire la luce. La scoperta degli isolanti topologici risale a circa dieci anni fa, ma già ci stanno fornendo nuovi fenomeni da esaminare e nuovi modi per studiare importanti concetti della fisica», dice Giannini, sottolineando come, grazie alle tecnologie attuali, dovrebbe essere possibile osservare sperimentalmente i fenomeni descritti dai loro modelli.

Giannini non esclude che si riesca a riprodurre il processo che conduce alla creazione di questa nuova forma di luce anche su scala più elevata, permettendo in tal modo di effettuare osservazioni più accurate del fenomeno. Attualmente, infatti, i fenomeni quantistici possono essere osservati solo guardando a oggetti di dimensioni assai ridotte o sottoposti a trattamenti di super raffreddamento. I nuovi risultati permetterebbero invece di studiarne il comportamento anche a temperatura ambiente.

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Fonte: Media INAF | Scritto da Francesca Aloisio