I fisici dell’UCLA hanno scoperto un nuovo modo di pensare alla struttura dello spazio.
Lo spazio è generalmente considerato infinitamente divisibile: date due posizioni qualsiasi, c’è sempre una posizione a metà strada tra le due.
Ma in un precedente studio volto allo sviluppo di transistor ultraveloci utilizzando il grafene, i ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’UCLA e del California NanoSystems Institute mostrano che dividere lo spazio in posizioni discrete, come una scacchiera, può spiegare come gli elettroni puntiformi, che non hanno raggio finito, riescono a portare il loro momento angolare intrinseco, o “spin”.
Mentre studiavano le proprietà elettroniche del grafene, il professor Chris Regan e lo studente laureato Matthew Mecklenburg hanno scoperto che una particella può acquisire rotazione vivendo in uno spazio con due tipi di posizioni: piastrelle scure e piastrelle chiare.
La particella sembra ruotare se le tessere sono così vicine che la loro separazione non può essere rilevata.
“Lo spin di un elettrone potrebbe sorgere perché lo spazio a distanze molto piccole non è liscio, ma piuttosto segmentato, come una scacchiera“, ha detto Regan.
In meccanica quantistica, “spin up” e “spin down” si riferiscono ai due tipi di stati che possono essere assegnati a un elettrone.
Che lo spin dell’elettrone possa avere solo due valori – non uno, tre o un numero infinito – aiuta a spiegare la stabilità della materia, la natura del legame chimico e molti altri fenomeni fondamentali.
Tuttavia, non è chiaro come l’elettrone gestisca il movimento rotatorio implicato dal suo spin. Se l’elettrone avesse un raggio, la superficie implicita dovrebbe muoversi più velocemente della velocità della luce, violando la teoria della relatività.
E gli esperimenti mostrano che l’elettrone non ha raggio; si pensa che sia una particella puntiforme pura senza superficie o sottostruttura che potrebbe ruotare.
Nel 1928, il fisico britannico Paul Dirac dimostrò che lo spin dell’elettrone è intimamente correlato alla struttura dello spazio-tempo.
Il suo argomento combinava la meccanica quantistica con la relatività speciale, la teoria dello spazio-tempo di Einstein (notoriamente rappresentata dall’equazione E=mc2).
L’equazione di Dirac, lungi dall’essere semplicemente accomodante, in realtà lo richiede. Ma mentre mostra che la meccanica quantistica relativistica richiede spin, l’equazione non fornisce un’immagine meccanica che spieghi come una particella puntiforme riesca a trasportare il momento angolare, né perché questo spin ha due valori.
Svelando un concetto che è allo stesso tempo nuovo e ingannevolmente semplice, Regan e Mecklenburg hanno scoperto che lo spin a due valori degli elettroni può derivare dall’avere due tipi di tessere – chiare e scure – in uno spazio simile a una scacchiera.
E hanno sviluppato questo modello di meccanica quantistica mentre lavoravano al problema sorprendentemente pratico di come realizzare transistor migliori con un nuovo materiale chiamato grafene.
Il grafene, un singolo foglio di grafite, è uno strato atomicamente sottile di atomi di carbonio disposti in una struttura a nido d’ape.
Isolato per la prima volta nel 2004 da Andre Geim e Kostya Novoselov, il grafene ha una ricchezza di straordinarie proprietà elettroniche, come l’elevata mobilità degli elettroni e la capacità di corrente.
In effetti, queste proprietà sono così promettenti per i progressi rivoluzionari che Geim e Novoselov hanno ricevuto il Premio Nobel 2010 solo sei anni dopo il loro raggiungimento.
Regan e Mecklenburg fanno parte di uno sforzo dell’UCLA per sviluppare transistor estremamente veloci utilizzando questo nuovo materiale.
“Volevamo calcolare l’amplificazione di un transistor al grafene“, ha detto Mecklenburg. “La nostra collaborazione li stava costruendo e dovevamo sapere quanto bene avrebbero funzionato”.
Questo calcolo ha comportato la comprensione di come la luce interagisce con gli elettroni nel grafene.
Gli elettroni nel grafene si muovono saltando da un atomo di carbonio ad un atomo di carbonio, come se saltellassero su una scacchiera.
Le tessere della scacchiera in grafene sono triangolari, con le tessere scure rivolte “in alto” e quelle chiare rivolte “in basso”.
Quando un elettrone nel grafene assorbe un fotone, salta dalle piastrelle chiare a quelle scure. Mecklenburg e Regan hanno mostrato che questa transizione equivale a capovolgere una rotazione da “su” a “giù”.
In altre parole, confinare gli elettroni nel grafene in posizioni specifiche e discrete nello spazio dà loro spin. Questo spin, che deriva dalla speciale geometria del reticolo a nido d’ape del grafene, è aggiuntivo e distinto dal solito spin trasportato dall’elettrone.
Nel grafene lo spin aggiuntivo riflette la struttura a scacchiera irrisolta nello spazio occupato dall’elettrone.
