Prof. Silke Bühler-Paschen. Attestazione:Luiza Puiu
Le proprietà dei materiali complessi sono spesso determinate dall'interazione di diverse proprietà degli elettroni. TU Wien (Vienna) è ora riuscita a sbrogliare questo pasticcio.
Solo a temperature estremamente basse prevale l'ordine. All'Università di Tecnologia di Vienna, i materiali sono raffreddati quasi allo zero assoluto, in modo che gli elettroni, che altrimenti occupano stati diversi in modo abbastanza casuale, mostrano certe regolarità. Ma anche il comportamento di elettroni così freddi è difficile da capire, da un lato perché gli elettroni si influenzano fortemente a vicenda e non possono essere descritti separatamente, e d'altra parte perché diverse caratteristiche degli elettroni giocano un ruolo allo stesso tempo. Però, la comprensione è ora facilitata dagli esperimenti alla TU Vienna:è stato possibile influenzare le diverse caratteristiche degli elettroni separatamente l'una dall'altra. Fenomeni quantistici strettamente intrecciati possono quindi essere compresi individualmente. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista PNAS .
Pezzi degli scacchi ed elettroni
Immagina di avere una grande borsa di pezzi degli scacchi che metti su una scacchiera uno dopo l'altro finché non è piena. Esistono diversi modi per creare modelli ordinati:ad esempio, puoi sempre posizionare alternativamente un pezzo bianco e uno nero. Puoi anche ignorare i colori e posizionare alternativamente un cavallo e una torre, o inventa modelli di ordine più complicati che combinano il colore e il tipo di figura.
È simile agli elettroni in un solido:come in una scacchiera, ci sono posti regolarmente organizzati dove gli elettroni possono sedersi. E come pezzi degli scacchi, gli elettroni hanno proprietà diverse che possono essere utilizzate per creare ordine.
"La proprietà più semplice degli elettroni è la loro carica:è responsabile del flusso di corrente elettrica. Tuttavia, la carica è la stessa per tutti gli elettroni, " afferma la prof.ssa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Vienna. "Le cose diventano più interessanti se consideriamo anche lo spin dell'elettrone. Per il giro, ci sono sempre due diverse possibilità. Le sue proprietà magnetiche sono determinate dalla disposizione regolare degli spin degli elettroni in un corpo solido".
Dove si trova l'elettrone? Il grado di libertà orbitale
Però, per gli elettroni localizzati c'è un'altra proprietà, un altro grado di libertà, che gioca un ruolo importante:Il grado di libertà orbitale. Se un elettrone è legato a un certo atomo, sono possibili diverse disposizioni spaziali. La fisica quantistica consente diverse relazioni geometriche tra elettrone e atomo, e questo consente anche strutture ordinate nel solido, per esempio quando molti atomi identici sono disposti in un cristallo, e ciascuno ha un elettrone che si trova nello stesso stato orbitale.
"Abbiamo studiato un materiale fatto di palladio, silicio e cerio, " dice Silke Bühler-Paschen. "Ci concentriamo sugli elettroni situati nell'atomo di cerio e sugli elettroni di conduzione, che può muoversi liberamente attraverso il cristallo." Con l'aiuto di elettroni di conduzione, è possibile influenzare l'ordine degli elettroni nell'atomo di cerio, sia il loro grado di libertà di spin che il loro grado di libertà orbitale. "Questo viene fatto schermando, " spiega Bühler-Paschen. "Gli elettroni di conduzione possono virtualmente nascondere sia lo spin che lo stato orbitale degli elettroni fissi, che è chiamato effetto Kondo. Ciò significa che l'ordine non è più possibile." Come è stato mostrato ora, l'ordine di questi due gradi di libertà può essere attivato e disattivato separatamente a temperature molto basse, con l'aiuto di piccoli cambiamenti del campo magnetico.
"Il fatto che l'ordine nei sistemi quantistici collassi o riappaia in determinate situazioni non è nuovo, ", afferma Silke Bühler-Paschen. "Ma qui abbiamo un sistema in cui l'ordine può essere attivato e disattivato individualmente in relazione a due diversi gradi di libertà che sono strettamente intrecciati ad alte temperature, e questo è davvero notevole".
Questa possibilità potrebbe ora aiutare a scoprire proprietà particolarmente interessanti di materiali complessi. "Ci sono ragioni per ritenere che anche il grado di libertà orbitale giochi un ruolo importante nel fenomeno della superconduttività non convenzionale, ", afferma Silke Bühler-Paschen. "Ora abbiamo un nuovo strumento a nostra disposizione per comprendere meglio questi effetti tecnologicamente importanti".