Quando gli elettroni fluiscono attraverso un conduttore, come i fili di rame nei caricabatterie dei nostri telefoni o i chip di silicio nei circuiti stampati dei nostri laptop, si scontrano con le impurità materiali e tra loro in una minuscola frenesia atomica. La loro interazione con le impurità è ben nota.

Ancora, mentre capire come gli elettroni interagiscono tra loro è fondamentale per capire la fisica, misurare la forza di queste interazioni si è rivelato una sfida difficile per i fisici.

Un team guidato dai ricercatori della Virginia Tech ha scoperto che creando un insieme specifico di condizioni, potrebbero quantificare le interazioni elettrone-elettrone in modo più preciso che mai. Le loro scoperte si estendono alle teorie fisiche esistenti e possono essere applicate al miglioramento dei dispositivi elettronici e dei computer quantistici. Hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Per studiare come interagiscono tra loro gli elettroni, il team ha fabbricato piccoli dispositivi che avrebbero creato un fascio di elettroni. Avevano bisogno di tre condizioni specifiche per ottenere i risultati:basse temperature, un campo magnetico per far girare gli elettroni in orbite, e materiali ultrapuri forniti dai collaboratori della Purdue University. Il loro obiettivo:vedere quanto lontano viaggeranno gli elettroni sulle loro orbite prima di incontrare altri elettroni e disperdersi. Poiché il dispositivo è stato realizzato con materiali ultrapuri, il team sapeva che non c'erano altre variabili che potevano causare la dispersione:potevano assistere all'interazione degli elettroni senza alcuna variabile di confusione.

"Ciò che accade di solito in un normale, semiconduttore impuro è che gli elettroni subiscono così tante collisioni con le impurità che in pratica non si sa mai cosa stanno effettivamente facendo le interazioni elettrone-elettrone, " disse Jean Heremans, professore presso il Dipartimento di Fisica della Facoltà di Scienze. "Ma quando rimuovi quelle impurità, ti rimane un materiale ultrapuro, e improvvisamente quelle interazioni elettrone-elettrone diventano evidenti. È stata un po' una sorpresa per noi che si trattasse di un effetto così grande, da poterlo utilizzare per quantificare le interazioni degli elettroni".

Però, questa non è stata l'unica sorpresa che la squadra ha incontrato. Gli scienziati hanno recentemente scoperto che in determinati materiali e condizioni, gruppi di elettroni fluiscono collettivamente e si comportano come un liquido. Utilizzando computer ad alta potenza, collaboratori di progetto presso il Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, New York, simulato il flusso del gruppo di elettroni. Le loro immagini hanno rivelato che gli elettroni scorrevano in vortici, come i vortici, un comportamento che deve ancora essere documentato in presenza di un campo magnetico.

"I vortici in realtà persistono anche se le interazioni tra gli elettroni sono molto deboli, " disse Adbhut Gupta, l'autore principale dello studio e un dottorato di ricerca. candidato nel laboratorio di Heremans. "A questo punto, non si sa molto di questo comportamento collettivo nel limite dell'interazione debole. è un fenomeno nuovo, uno che una singola particella non avrebbe mostrato. Il nostro è il primo esperimento che accenna a questo tipo di comportamento collettivo".

Ha lavorato allo studio anche Gitansh Kataria, uno studente laureato presso il Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, parte del Virginia Tech College of Engineering.

Le scoperte del team potrebbero essere fondamentali per aiutare gli scienziati a ripensare alcune delle teorie fisiche più fondamentali, come la teoria del liquido di Fermi, che descrive lo stato normale dei metalli a basse temperature.

"Ciò che abbiamo scoperto è che quelle teorie vengono rispettate ma solo in modo approssimativo. Abbiamo visto deviazioni dalle aspettative teoriche, " disse Heremans. "Questo è interessante perché se tutto è secondo teoria, perché c'è bisogno di fare esperimenti per cominciare? Non è che dobbiamo essere completamente d'accordo, ma dobbiamo capire cosa manca alla teoria".

I risultati di questo studio potrebbero essere applicati per aiutare a migliorare l'elettronica, come sensori e dispositivi di telecomunicazione, disse Heremans. Più, questa ricerca potrebbe aiutare ulteriormente il campo all'avanguardia dell'informatica quantistica, parte del quale si basa sulle interazioni elettrone-elettrone per formare nuovi stati quantistici. Comprendere il comportamento degli elettroni consentirà ai fisici di sfruttare appieno la potenza degli elettroni in nuove innovazioni e applicazioni.