Elettroni di Dirac: la velocità del loro movimento non è costante

Un team di fisici guidati da Ryuhei Oka dell’Università di Ehime ha misurato i cosiddetti elettroni di Dirac in un polimero superconduttore chiamato bis(etileneditio)-tetratiafulvalene. Si tratta di elettroni che esistono in condizioni che li rendono effettivamente privi di massa, consentendo loro di comportarsi più come fotoni e oscillare alla velocità della luce.

Sfruttare il potenziale degli elettroni di Dirac

Questa scoperta consentirà una migliore comprensione dei materiali topologici: materiali quantistici che si comportano come un isolante elettronico all’interno e un conduttore all’esterno.

Superconduttori, semiconduttori e materiali topologici stanno tutti diventando sempre più rilevanti, anche per le loro potenziali applicazioni nei computer quantistici, ma c’è ancora molto che non sappiamo su questi materiali e sul loro comportamento.

Gli elettroni di Dirac si riferiscono ai vecchi elettroni comuni in condizioni straordinarie che richiedono una dose di relatività speciale per comprendere i comportamenti quantistici. Qui, la sovrapposizione degli atomi colloca alcuni dei loro elettroni in uno strano spazio che consente loro di saltare attorno ai materiali con un’eccellente efficienza energetica.

Formulate dalle equazioni del fisico teorico Paul Dirac quasi un secolo fa, ora sappiamo che sono là fuori: sono state rilevate nel grafene, così come in altri materiali topologici.

Per sfruttare il potenziale degli elettroni di Dirac, tuttavia, è necessario capirli meglio, ed è qui che i fisici hanno incontrato un ostacolo. Gli elettroni di Dirac coesistono con gli elettroni standard, il che significa che rilevare e misurare un tipo è molto difficile da eseguire in modo inequivocabile.

La risonanza di spin elettronico

Oka e colleghi hanno trovato un modo per farlo sfruttando una proprietà chiamata risonanza di spin elettronico. Gli elettroni sono particelle cariche che ruotano. Questa distribuzione rotante della carica fa sì che ciascuno di essi presenti un dipolo magnetico. Quindi, quando un campo magnetico viene applicato a un materiale, può interagire con gli spin di eventuali elettroni spaiati al suo interno, alterandone lo stato di spin.

Questa tecnica può consentire ai fisici di rilevare e osservare gli elettroni spaiati. E, come hanno scoperto Oka e gli altri ricercatori, può anche essere utilizzata per osservare direttamente il comportamento degli elettroni di Dirac nel bis(etileneditio)-tetratiafulvalene, distinguendoli dagli elettroni standard in quanto hanno diversi sistemi di spin.

Il team ha scoperto che, per poterlo comprendere appieno, gli elettroni di Dirac devono essere descritti in quattro dimensioni. Ci sono le tre dimensioni spaziali standard, gli assi x, y e z, e poi c’è il livello energetico dell’elettrone, che costituisce la quarta dimensione.

Poiché le strutture delle bande 3D non possono essere rappresentate in uno spazio quadridimensionale,” hanno spiegato i ricercatori nel loro studio: “Il metodo di analisi qui proposto fornisce un modo generale per presentare informazioni importanti e di facile comprensione di tali strutture delle bande che non possono essere rappresentate“.

Conclusioni

Analizzando gli elettroni di Dirac in base a queste dimensioni, i ricercatori sono riusciti a capire qualcosa che prima non sapevamo. La velocità del loro movimento non è costante: dipende piuttosto dalla temperatura e dall’angolo del campo magnetico all’interno del materiale.

Questo significa che ora abbiamo un altro pezzo del puzzle che ci aiuta a comprendere il comportamento degli elettroni di Dirac, un pezzo che potrebbe aiutarci a sfruttare le loro proprietà nella tecnologia futura.

L’importanza del lavoro d fisico Paul Adrien Maurice Dirac, Premio Nobel per la fisica nel 1933 per “la scoperta di nuove fruttuose forme della teoria atomica“, risiede essenzialmente nella sua famosa equazione d’onda, che ha introdotto la relatività ristretta nell’equazione di Schrödinger.

Tenendo conto del fatto che, matematicamente parlando, la teoria della relatività e la teoria quantistica non solo sono distinte l’una dall’altra, ma sono anche opposte, il lavoro di Dirac potrebbe essere considerato una fruttuosa riconciliazione tra le due teorie.