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Elettroni pesanti in azione

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Per  mezzo di un microscopio concepito per ottenere immagini della disposizione e delle interazioni degli elettroni nei cristalli, gli scienziati sono riusciti a catturare le prime immagini di elettroni che sembrano assumere massa straordinaria in determinate condizioni estreme.

La tecnica rivela l’origine di un’inconsueta transizione di fase in un particolare materiale, e apre la porta a ulteriori esplorazioni delle proprietà e delle funzioni di fermioni pesanti. Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti (DOE), della McMaster University e del Los Alamos National Laboratory descrivono i risultati della scoperta su Nature.

“I fisici sono stati interessati al “problema” di fermioni pesanti: cioè individuare le cause per cui questi elettroni si comportano come se fossero centinaia o migliaia di volte più pesanti a determinate condizioni”, riferisce Séamus Davis, un fisico al Brookhaven e il JD Distinguished Professor Bianco di Scienze Fisiche dell’Università di Cornell. Capire il comportamento fermioni pesanti potrebbe portare alla progettazione di nuovi materiali da utilizzare nei superconduttori ad alta temperatura.

In questo studio, è stato preso in considerazione un materiale costituito da uranio, rutenio e silicio, in cui gli effetti dei fermioni pesanti fanno la loro comparsa al di sotto di 55 gradi kelvin (-218 °C). oltre questo limite, si osserva una transizione di fase inusuale degli elettroni in corrispondenza di 17,5 K.

L’origine di questo fenomeno è  stata attribuita a qualche forma di “ordine nascosto” degli atomi e dei suoi costituenti, anche se finora non era chiaro se esso sia legato a un comportamento collettivo degli elettroni in forma di onde o all’interazione di singoli elettroni con gli atomi di uranio.

Il gruppo di Davis ha utilizzato la tecnica di microscopia a scansione a effetto tunnel (SI-STM) che permette di misurare la lunghezza d’onda degli elettroni sulla superficie del materiale in relazione alla loro energia. Grazie alle misurazioni della lunghezza d’onda e dell’energia degli elettroni, è possibile ricavarne la massa effettiva.

La rivelazione delle caratteristiche dell’“elettrone pesante” prima della seconda temperatura di transizione di fase fornisce l’evidenza sperimentale diretta che gli elettroni sono in interazione diretta con gli atomi di uranio invece che di agire come un’onda.

Nel caso dell’atomo dell’uranio, si verifica un rallentamento degli elettroni per una frazione infinitesima di secondo: poiché l’energia cinetica e la massa sono tra loro correlate, tale rallentamento fa apparire gli elettroni come se fossero più pesanti degli elettroni liberi.

Riferimenti: http://www.nature.com/nature/journal/v465/n7298/full/nature09073.html 

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