Cristalli di soli elettroni: osservati per la prima volta i cristalli di Wigner, teorizzati nel 1934

Another ICT Guy

Cristalli di soli elettroni: osservati per la prima volta i cristalli di Wigner, teorizzati nel 1934

Un gruppo di ricercatori dell’ETH di Zurigo ha avuto la possibilità di essere testimone di un unicum nel panorama scientifico: gli scienziati hanno infatti annunciato di aver osservato un cristallo composto solamente di elettroni. Questo genere di cristalli, conosciuti anche come cristalli di Wigner, sono stati teorizzati per la prima volta quasi un secolo fa, ma è stato possibile osservarli solamente ora in un materiale semiconduttore.

Nel 1934 il fisico Eugene Wigner teorizzò che gli elettroni in un materiale avrebbero avuto la possibilità di organizzarsi in schemi regolari e simili ai cristalli per via della reciproca repulsione elettrica. Wigner pensò che nel momento in cui l’energia della repulsione elettrica è maggiore della loro energia di movimento, allora gli elettroni si possono disporre in maniera tale che la loro energia totale sia la più piccola possibile. Wigner, che partecipò inoltre al Progetto Manhattan, ricevette nel 1963 il Premio Nobel per la Fisica “per i suoi contributi alla teoria del nucleo atomico e delle particelle elementari, in special modo tramite la scoperta e l’applicazione dei principi fondamentali della simmetria”.


Eugene Wigner, premio Nobel per la Fisica nel 1963, teorizzò i cristalli di soli elettroni quasi un secolo fa

Quanto ipotizzato allora da Wigner è rimasto per decenni solamente nel dominio teorico poiché le condizioni per la formazione di questo tipo di cristalli sono estreme: temperature basse e elettroni liberi in misura molto ridotta nei materiali. Gli elettroni sono infatti migliaia di volte più leggeri degli atomi e la loro energia di movimento in una disposizione regolare è significativamente superiore rispetto all’energia elettrostatica per via dell’interazione tra gli elettroni stessi.

I ricercatori hanno provato a superare questi ostacoli usando uno strato estremamente sottile di materiale semiconduttore, il diseleniuro di molibdeno, dello spessore di appena un atomo. Questo vincola gli elettroni a muoversi solamente nel piano e per controllare il numero di elettroni liberi è stata applicata una tensione a due elettrodi di grafene trasparenti tra i quali era interposto il semiconduttore.


Fonte: ETH Zurich

Questa configurazione è stata portata ad una temperatura di poco superiore gli 0 K: secondo alcune deduzioni e considerazioni teoriche le proprietà elettriche del diseleniuro di molibdeno a questa temperatura dovrebbero favorire quanto teorizzato da Wigner, ovvero una disposizione elettronica tale da concretizzare un cristallo di soli elettroni.

Ma a questo punto si è aperto un ulteriore problema e cioè dimostrare effettivamente la formazione di cristalli Wigner nella configurazione approntata dai ricercatori. Sempre a livello teorico gli scienziati hanno calcolato che a quelle condizioni la separazione tra gli elettroni sarebbe dovuta essere intorno ai 20 nanometri e cioè 1/30 della lunghezza d’onda della luce visibile, il che avrebbe di fatto reso impossibile osservare quanto accaduto.

Per rendere visibile la disposizione regolare degli elettroni i ricercatori hanno usato una luce di una precisa frequenza per eccitare i cosiddetti eccitoni presenti nello strato semiconduttori. Gli eccitoni sono una coppia elettrone-lacuna che risultano da un elettrone mancante in un livello energetico del materiale. La precisa frequenza della luce per originare tali eccitoni e la velocità con cui si muovono dipendono dalle proprietà del materiale e dall’interazione con altri elettroni nel materiale.

La disposizione regolare degli elettroni nel cristallo può dare luogo ad un effetto ottico simile a quello a cui spesso abbiamo assistito osservando contenuti video: quando un mezzo a ruote procede sempre più velocemente accade che al di sopra di una determinata velocità le sue ruote appaiono ferme, per poi muoversi apparentemente in senso opposto. E’ un effetto che scaturisce dalla differenza di frequenza tra il framerate di ripresa della videocamera e la rotazione dei raggi della ruota. Tornando al cristallo di Wigner: gli eccitoni in movimento appaiono stazionari purché si muovano ad una precisa velocità, determinata dalla separazione degli elettroni nel reticolo cristallino.


Fonte: ETH Zurich

Anche questo effetto è stato teorizzato in passato, ed è quello che i ricercatori hanno potuto osservare direttamente per la prima volta. I cristalli di Wigner sono già stati osservati indirettamente tramite precedenti esperimenti basati su semiconduttori planari e misurazioni di corrente, ma non era mai stato possibile avere una conferma diretta della disposizione regolare degli elettroni.

La possibilità di osservare direttamente i cristalli di Wigner apre ora nuove strade di ricerca e indagine: l’obiettivo dei ricercatori è ora quello di scoprire esattamente in che modo i cristalli si formano da un “liquido” disordinato di elettroni.

Fonte: http://feeds.hwupgrade.it/

 

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *