I ‘tornado quantistici’ esistono eccome e per la prima volta ne abbiamo la prova

Cosa sono i tornado quantistici? I movimenti degli elettroni possono assumere forme molto bizzarre. Ancor di più in un materiale quantistico. A raccontarlo è stato un team di fisici guidato dall’Università di Würzburg, in Germania, che ha dimostrato sperimentalmente per la prima volta come gli elettroni possano formare, appunto, tornado quantistici. La loro scoperta, pubblicata sulla rivista Physical Review X, potrebbe un giorno rivoluzionare il mondo dell’elettronica, aprendo la strada alla “orbitronica”, un nuovo campo che si baserebbe sul potere di torsione degli elettroni, piuttosto che sulla loro carica elettrica, per trasportare informazioni nei circuiti elettronici o nei computer quantistici, riducendo le perdite di energia.

Spazio di posizione e di momento

La scienza sa già che gli elettroni possono formare vortici in speciali materiali. La novità di questo studio, tuttavia, è la scoperta, ora confermata sperimentalmente, che queste minuscole particelle creano strutture simili a tornado nello spazio di momento. Ricordiamo brevemente che lo spazio di momento è per i fisici un concetto che descrive il moto degli elettroni in termini di energia e direzione, piuttosto che della loro posizione fisica esatta. In altre parole, quindi, lo spazio di momento descrive il loro movimento attraverso la loro energia e direzione. Lo spazio di posizione, invece, è il regno in cui si verificano fenomeni più familiari, come vortici d’acqua o uragani. Finora, tuttavia, i tornado quantistici erano stati osservati solamente nello spazio di posizione.

L’esperimento

Dato che, almeno teoricamente, i fisici sapevano che i tornado quantistici potessero formarsi anche nello spazio di momento, e che fino ad ora nessuno sapeva come misurarli, i ricercatori del nuovo studio hanno preso in esame un cristallo semimetallico, chiamato arseniuro di tantalio, le cui speciali proprietà quantistiche lo rendono la scelta perfetta, appunto, per trovare i tornado quantistici. Per farlo hanno perfezionato una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo (Arpes). “Arpes è uno strumento fondamentale nella fisica sperimentale dello stato solido. Consiste nell’illuminare un campione di materiale, estrarre elettroni e misurarne l’energia e l’angolo di uscita”, ha spiegato il co-autore Maximilian Ünzelmann. “Ciò ci offre uno sguardo diretto alla struttura elettronica di un materiale nello spazio del momento. Adattando in modo intelligente questo legge, siamo stati in grado di misurare il momento angolare orbitale”. I loro esperimenti, infatti, hanno rivelato che il vortice quantistico è creato dal momento angolare orbitale, ovvero il moto circolare degli elettroni attorno ai nuclei atomici.

I tornado quantistici

Ogni osservazione, tuttavia, risultava essere sola una sorta di istantanea bidimensionale degli elettroni nel materiale e per confermare l’esistenza dei tornado quantistici, il team ha dovuto inserire ogni misurazione in un modello 3D. “Abbiamo analizzato il campione strato per strato, in modo simile a come funziona la tomografia medica”, ha spiegato Ünzelmann. “Unendo insieme le singole immagini, siamo stati in grado di ricostruire la struttura tridimensionale del momento angolare orbitale e confermare che gli elettroni formano vortici nello spazio del momento”. Da qui, il team spera che ulteriori studi possano portare non solo a un’elettronica più efficiente, ma anche a una classe affatto nuova di dispositivi chiamati orbitronici.