Spaccare un elettrone in due

Tenetevi forte perché questo articolo rivoluzionerà profondamente le vostre certezze, in particolare il fatto che l'elettrone sia una particella elementare e quindi indivisibile. In realtà, le vostre convinzioni sono perfettamente valide, ma quello che cercheremo di vedere oggi, grazie al prezioso lavoro di un'equipe di scienziati del PSI, vicino a Zurigo in Svizzera, è come sia possibile evidenziare alcune proprietà quantistiche di un singolo elettrone in (quasi-) particelle separate. Avevo già introdotto il concetto di quasi-particella (leggi Quasi-particelle di Majorana) descrivendole come oggetti aventi una precisa descrizione quantistica, ovvero che possono essere rappresentati da una funzione d'onda, pur non essendo una vera e propria particella.


Vediamo se riesco a spiegarmi meglio. Un elettrone è una particella dotata di carica elettrica negativa, e fino a qui non vi ho detto nulla di nuovo. Gli elettroni girano vorticosamente su loro stessi (momento angolare di spin), come se fossero una trottola ed essendo carichi elettricamente, questo loro girare si manifesta in un campo magnetico. Non solo girano su loro stessi, ma se sono legati in un atomo, allora ruotano anche intorno al nucleo (momento angolare orbitale) dando vita ad un altro contributo magnetico. Questi due moti rotatori sono in un certo senso vincolati: la natura quantistica impone solo alcuni possibili valori di spin (sono solo 2) e solo alcuni valori di momento orbitale che dipendono da quanto lontano si trova l'elettrone rispetto al nucleo. Giusto per completezza tutti questi valori possibili di momento angolare sono caratterizzati da un numero, che prende appunto il nome di numero quantico; in questo modo fornendo una serie di numeri quantici è possibile caratterizzare univocamente lo stato di una particella.

Quando pensiamo all'elettrone possiamo immaginarlo come una sorta di stato legato di tre differenti quasi-particelle, una che ne rappresenta la carica (olone), una che ne rappresenta il momento angolare di spin (spinone) e una che ne rappresenta il momento angolare (orbitone). Lo so che questi nomi fanno un po' sorridere e sembrano inventati di sana pianta, però è solo un modo per rappresentare queste tre differenti anime dell'elettrone.

Spaccare l'elettrone?

La domanda successiva è: possiamo separarle? Possiamo scindere questo stato legato? Più propriamente, possiamo empiricamente rivelare singolarmente una quasi-particella che rappresenta soltanto la carica, il momento angolare o lo spin di un elettrone? La risposta è sì! Basta mettersi nelle giuste condizioni sperimentali, dotarsi degli strumenti di indagine giusti e poi è possibile. Fantastico vero?

Lo spinone e l'olone, ovvero lo spin e la carica di un elettrone furono per la prima volta rivelati separatamente nel 1990, ma la loro esistenza come quasi particelle era stata predetta tempo prima. Più recente invece la prima verifica sperimentale della separazione dello spinone e dell'orbitone, ottenuta da un gruppo di ricercatori europei e pubblicata il 18 aprile scorso su Nature.

Per ottenere questa separazione gli scienziati si sono prima di tutto costruiti il giusto elemento, un cristallo particolare composto da un ossido di rame e stronzio. Questo ha delle caratteristiche bizzarre, infatti è classificato come un isolante di Mott 1-dimensionale. Un isolante di Mott, è un isolante che dovrebbe essere un conduttore, ve lo avevo detto che erano strani, infatti in base alla teoria a bande dovrebbe essere un conduttore, ma se lo misuro scopro che è un isolante. Unidimensionale significa che esiste una sola direzione attraverso il cristallo in cui la corrente può circolare. A questo punto dovreste fermarmi e chiedermi se vi prendo in giro: vi ho appena detto che è un isolante, come fa a condurre corrente? La risposta è che negli isolanti gli elettroni sono tutti tranquilli nelle loro posizioni e non c'è un movimento netto in una direzione o nell'altra. Se però eccito uno di questi elettroni promuovendolo dal suo stato di riposo (banda di valenza) ad uno eccitato (banda di conduzione), allora questo portatore di carica potrà generare una piccola corrente. In un cristallo 1D esiste una direzione privilegiata in cui la corrente può passare, mentre tutte le altre sono inibite.

Non solo, c'è di più. Sr2CuO3, ovvero questo particolare ossido di rame e stronzio è anti-ferromagnetico. Questo significa che gli elettroni si dispongono in modo ordinato formando una catena di spin opposti come indicato dei versi delle frecce nella figura qui a lato. Quando un raggio X (hv) interagisce con uno di questi elettroni lo promuove ad un livello energetico superiore (nell'immagine vedete che il pallino verde si sposta sulla riga superiore). A questo punto l'elettrone diventa un portatore di carica e può scivolare via sulla banda di conduzione (spostandosi verso destra) e gli spazi liberi che lascia vengono via via riempiti da altri elettroni che però non hanno l'orientazione della freccia giusta, e stanno portando nella direzione opposta il contributo di spin dell'elettrone colpito. Quindi abbiamo l'elettrone che con il suo momento angolare orbitale e la sua carica se ne va in una direzione, mentre l'effetto dello spin si sposta nella direzione opposta. Ecco che abbiamo separato spinone e orbitone!

Detta così, a parole e con il sostegno di un disegno, sembra fin troppo facile, ma non è proprio il caso. Per averne una conferma serve conoscere perfettamente la sorgente di raggi X che si sta utilizzando che deve essere intensa e con un energia ben precisa e si devono avere rivelatori molto precisi per misurarli. Entrambi questi elementi e il fondamentale know-how teorico e sperimentale sono disponibile alla SLS (Swiss Light Source) presso il Paul Scherrer Institut di Zurigo, dove avrò la fortuna di andare nella seconda parte di questa settimana e da dove vi manderò un post cartolina!

Che bella questa scienza che ogni giorno ci regala una nuova sorpresa!

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Ulteriori informazioni su questo esperimento sono disponibili sull'articolo originale apparso su Nature.