Il grafico a colori rappresenta la corrente degli elettroni al variare del campo magnetico e della frequenza delle microonde. La linea bianca evidenzia la forte dipendenza della corrente dalla direzione del campo magnetico. Credito:OIST
Il movimento di migliaia di elettroni è alla base dell'elettronica. Ancora, ubiquitari come lo sono gli elettroni, i particolari del loro comportamento continuano a sconcertare i fisici. Un fenomeno si è rivelato particolarmente sconcertante:come gli elettroni si muovono sotto l'influenza delle onde elettromagnetiche polarizzate.
La polarizzazione si verifica quando le onde come le onde elettromagnetiche o luminose ruotano. I campi elettromagnetici chiamati microonde hanno un campo elettrico rotante che gira in senso orario o antiorario, e la maggior parte delle teorie prevede che le microonde influenzeranno la rotazione degli elettroni. E ancora, studi sperimentali hanno dimostrato che gli elettroni sembrano non essere influenzati dalla polarizzazione delle microonde. Questi risultati che sfidano la teoria hanno a lungo perplesso i fisici.
Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) potrebbe spiegare questa disparità. Nel lavoro, i ricercatori dell'OIST hanno misurato la corrente elettrica su un piano bidimensionale. Modificando la polarizzazione delle microonde, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la polarizzazione influisce effettivamente sul movimento degli elettroni. I loro risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .
"È naturale aspettarsi che l'effetto sarà più forte quando sia gli elettroni che i campi a microonde ruotano nella stessa direzione, e saranno fortemente ridotti quando i sensi della loro rotazione sono opposti, " ha detto Denis Konstantinov, autore senior di quel documento e capo della Quantum Dynamics Unit dell'OIST. Questo è davvero ciò che Konstantinov e il suo team hanno scoperto.
Rappresentazione schematica dell'esperimento. Un campo di microonde rotante (E) viene inviato attraverso uno strato circolare di elettroni mentre la loro corrente elettrica (I) viene misurata applicando una tensione (V). Credito:OIST
Il team dell'OIST ha collaborato allo studio con i ricercatori dell'Istituto di fisica e ingegneria delle basse temperature in Ucraina. Mentre un collega in Ucraina ha sviluppato un quadro matematico per testare le teorie principali all'interno del quadro dei ricercatori, gli scienziati dell'OIST li hanno testati sperimentalmente.
In precedenti esperimenti, il movimento degli elettroni è stato studiato in materiali allo stato solido come i semiconduttori. Ma questi materiali contengono impurità impossibili da eliminare e che possono interferire con i risultati. Quindi i ricercatori hanno creato un sistema che imita da vicino la funzione di un semiconduttore utilizzando elio liquido. Consiste di elettroni sulla superficie dell'elio liquido racchiusi in una camera a vuoto e raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, circa -273 gradi Celsius.
"Niente è ideale allo stato solido, " disse Konstantinov. "Ecco perché il nostro sistema è bello:ora possiamo eliminare tutte queste impurità e questi difetti."
L'elio possiede una capacità unica:rimane un liquido, anche a temperature che raggiungono lo zero assoluto. Nel frattempo, qualsiasi altro composto (impurità all'interno dell'elio) si congela, aggrappandosi alle pareti del suo contenitore. A una temperatura così bassa, gli elettroni sulla superficie dell'elio vengono "quantizzati":il movimento degli elettroni perpendicolare al liquido viene "congelato" in uno spazio bidimensionale, disse Costantino.
Camera a vuoto progettata su misura che contiene elettroni sopra l'elio condensato. Le microonde vengono introdotte nella camera attraverso una guida d'onda e focalizzate sugli elettroni da uno specchio sferico. Credito:OIST
In questo sistema, quando i ricercatori hanno inviato microonde polarizzate circolarmente attraverso questo strato di elettroni e hanno indotto gli elettroni a ruotare nella stessa direzione della rotazione del campo di microonde, la corrente misurata degli elettroni ha iniziato a oscillare con il campo magnetico applicato. Quando hanno invertito la rotazione degli elettroni cambiando la direzione del campo magnetico, l'oscillazione si è notevolmente indebolita. I ricercatori hanno osservato lo stesso comportamento invertendo il senso di rotazione del campo a microonde mantenendo inalterata la rotazione degli elettroni.
Ciò significa che gli elettroni sono effettivamente influenzati dalla polarizzazione di queste onde elettromagnetiche. Ancora, resta ancora molto lavoro da fare per capire perché esattamente queste particelle si comportano in quel modo, disse Oleksiy Zadorozhko, primo autore dell'articolo e ricercatore post-dottorato presso l'OIST.
"Al momento non possiamo ancora indicare quale delle tante teorie sia la principale, " ha detto. "Il nostro prossimo passo è uno studio più dettagliato di questo."
