Come particella libera l'elettrone è indivisibile, ma quando fa parte di una popolazione di altri elettroni all'interno possono verificarsi fenomeni inusuali: le sue "qualità" possono separarsi e vivere di vita propria come quasi-particella. Dopo spinone e olone, un gruppo di fisici svizzeri e tedeschi è ora riuscito a produrre e osservare una nuova quasi-particella di questo tipo: l'orbitone.
Oggetti e qualità: nel nostro mondo quotidiano le consideriamo come qualcosa di ben diverso. Ma alla scala quantistica le cose non sono così semplici e spesso non è facile, o possibile, fare una netta distinzione. Una nuova conferma di questa strana caratteristica della meccanica quantistica viene da uno studio pubblicato sulla rivista “Nature” relativo al “frazionamento” dell’elettrone.
L’elettrone è una particella elementare, e come tale ha due proprietà intrinseche ovvero lo spin e la carica elettrica. Se però viene osservato legato a un nucleo atomico ne ha anche un’altra: ha anche un numero quantico che esprime il suo momento angolare, corrispondente all’orbitale atomico quantizzato che occupa.
La cosa più singolare è però che come particella libera l’elettrone è indivisibile, mentre si comporta in modo assai differente quando fa parte di una popolazione all’interno di un materiale solido, in cui ciascun elettrone può essere considerato uno stato legato di tre “quasi-particelle”, ciascuna delle quali ha una delle tre proprietà separate.
Quando le dimensioni del solido preso in esame vengono ridotte, per esempio fino a un cavo monodimensionale, la teoria quantistica prevede che queste quasi-particelle possano separarsi. Nello specifico, l’elettrone si separa in due quasi-particelle indipendenti, una che trasporta lo spin (lo spinone) e una che trasporta la carica (l’olone), come osservato per la prima volta 15 anni fa.
La separazione spin-carica è un esempio di frazionalizzazione, un fenomeno in cui i numeri quantici delle quasi-particelle non sono multipli di quelli delle particelle elementari, ma loro frazioni. Questo effetto è una delle manifestazioni
più inconsuete della fisica quantistica a multicorpi e riflette un concetto molto profondo che ha avuto importanti conseguenze in diverse teorie, per esempio nella descrizione della superconduttività ad alta temperatura negli ossidi di rame.
Nello studio è stata appunto realizzata un'ulteriore frazionalizzazione dell’elettrone. I ricercatori hanno preso in considerazione l’eccitazione di un grado di libertà orbitale del rame nell’ossido Sr2CuO3, un isolante monodimensionale, in grado di produrre un processo di separazione spin-orbita analogo del meccanismo di separazione spin-carica.
Utilizzando una tecnica di diffusione inelastica risonante dei raggi X, Justine Schlappa, dell’Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, insieme con Thorsten Schmitt del Paul Scherrer Institut di Villigen, in Svizzera, e Ralph Claessen dell’Università di Würtzburg, in Germania, è così riuscito a separare la “qualità” corrispondente al grado di libertà orbitale dell’elettrone tanto da poterla osservare come nuova quasi-particella: l’orbitone.
I ricercatori in particolare sono riusciti a osservare un orbitone che si separava dagli spinoni e si propagava attraverso il reticolo come una distinta quasi-particella con una sostanziale dispersione in energia sul momento, pari a circa 0,2 elettronvolt.
Fonti:
www.lescienze.it/news/2012/04/18/news/orbitone_quasi-particella_elettrone...