Elettroni pesanti? Tutta colpa dell'entanglement

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Una raffinata metodica di microscopia elettronica ha permesso di osservare il comportamento degli elettroni nei cristalli e di evidenziare in che modo, all'abbassarsi della temperatura, essi appaiano molto più massicci degli elettroni liberi. L'origine del fenomeno è nell'entanglement quantistico, che mescola due comportamenti opposti dell'elettrone stesso



Migliaia di volte più massicci di quelli liberi: ecco come appaiono gli elettroni che si muovono in alcuni solidi. Ora si è capito perché ciò si verifica, grazie a un nuovo studio di un gruppo di ricercatori della Princeton University, del Los Alamos National Laboratory (LANL) e dell'Università della California a Irvine, che firmano in proposito un articolo sulla rivista “Nature”.

L'emergere di una “massa apparente” molto elevata degli elettroni in alcuni materiali è stato osservato più volte, ma finora mancava uno strumento che consentisse di comprendere l'origine di questo fenomeno, così come la sua connessione con la superconduttività a bassa temperatura. Ciò che si osserva, in sostanza, è che raffreddando gli elettroni al di sotto della temperatura ambiente questi iniziano a muoversi come particelle di massa ben maggiore. Se però si porta avanti il raffreddamento fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto, gli stessi solidi si comportano come superconduttori: gli elettroni, a dispetto della loro enorme massa, fluiscono senza praticamente alcuna resistenza.

Elettroni pesanti? Tutta colpa dell'entanglement. Gli elettroni in alcuni cristalli si comportano come se avessero una massa molto più elevata di quelli liberi: l'origine del fenomeno è legata all'entanglement quantistico (Cortesia Yazdani)
Grazie a una metodica sperimentale messa a punto nell'arco di anni, si è riusciti ora a progettare un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) criogenico che permette la visualizzazione di onde di elettroni nei cristalli. Questi ultimi sono stati preparati dai ricercatori in modo che le loro superfici contenessero alcune imperfezioni atomiche, utili a produrre un fenomeno di diffusione delle onde degli elettroni, non diversamente da ciò che avviene con le onde di acqua intorno a una roccia.

L'analisi ha rivelato che il guadagno progressivo di massa è connesso a un altro fenomeno: l'entanglement, vale a dire una correlazione che lega lo stato quantistico due particelle in opportune condizioni e che si mantiene anche a distanza (sfruttando questa proprietà si producono gli ormai famosi esperimenti di teletrasporto). Gli elettroni “pesanti”, in questo contesto, non sarebbero altro che oggetti composti, in cui sono associate due forme di comportamento dell'elettrone tra loro entangled: il primo è quello per cui un elettrone può essere localizzato intorno a un singolo atomo, e l'altro in cui esso viene osservato saltare liberamente da un atomo all'altro all'interno del cristallo.

“E' la prima volta che si riesce a ottenere un modello preciso della formazione degli elettroni pesanti, grazie alla possibilità di osservarli con un'alta risoluzione”, ha commentato Ali Yazdani, professore di fisica della Princeton University, che ha coordinato lo studio.

Lo stesso entanglement è responsabile della superconduzione, via via che la temperatura cala verso lo zero assoluto. Per spiegare perché, Yazdani ricorre a una metafora. “Ciò che a questo punto appare chiaro è che per ottenere la superconduttività occorre una mescolanza di questi due comportamenti: l'elettrone 'pigro' e localizzato, e quello 'che non sta fermo un attimo'”.

Il risultato appare di estrema importanza per tutte le ricerche di frontiera che riguardano l'emergere del fenomeno della superconduttività in materiali magnetici semplicemente per effetto di piccoli cambiamenti nella loro struttura cristallina.

http://www.lescienze.it/news/2012/06...ement-1096809/

Video: http://www.lescienze.it/news/2012/06...lli-1096814/1/