La sfida secolare della “diffrazione atomica” finalmente risolta grazie al grafene
Questo esperimento è “fondamentalmente diverso” da tutti i precedenti esperimenti di diffrazione atomica.
La luce bianca che passa attraverso un reticolo di diffrazione crea questo schema. Anche gli atomi possono subire la diffrazione! Credito immagine: Neizistrus/Shutterstock.com
Per migliaia di anni, i pensatori hanno discusso se la luce fosse fatta di particelle o onde. All’inizio del XX secolo, gli scienziati hanno capito che era entrambe le cose: particelle senza massa e onde. Una realizzazione ancora più sconvolgente arrivò pochi anni dopo, quando Louis de Broglie propose l’idea che tutta la materia avesse anche proprietà ondulatorie. Questo fu dimostrato da George Paget Thomson con il suo studente Alexander Reid, e indipendentemente nell’esperimento di Davisson-Germer. Gli elettroni sparati attraverso un cristallo potevano essere fatti diffrangere come onde luminose che passano attraverso le fessure di una persiana, o onde marine che entrano in un porto stretto. La diffrazione degli elettroni fu rivoluzionaria non solo per la fisica fondamentale, ma portò allo sviluppo di tecnologie all’avanguardia come il microscopio elettronico.
La dualità onda-particella fu dimostrata non solo con gli elettroni, ma quando si trattava di atomi e persino molecole, le cose si complicavano. Gli elettroni sono 1.800 volte più leggeri dell’atomo più leggero (qualcosa scoperto dal padre di Thomson, J.J. Thomson) quindi possono più facilmente diffrangere attraverso il reticolo di un cristallo. La diffrazione degli atomi era stata finora vista in riflessione. Gli atomi venivano rimbalzati su una superficie incisa per avere un reticolo. Le linee non devono essere sottili come 10.000 volte più piccole di un capello, come la macchina più importante di cui non hai mai sentito parlare le fa. Reticoli con linee molto più grandi, che potevano essere fatti negli anni ’30, erano sufficienti per mostrare questo fenomeno. Tuttavia, i ricercatori non erano stati in grado di mostrare la diffrazione degli atomi attraverso un cristallo fino ad ora.
In un articolo ancora da sottoporre a revisione paritaria, Carina Kanitz e colleghi dell’Istituto di Tecnologie Quantistiche e dell’Università di Vienna hanno dimostrato la diffrazione di atomi di idrogeno ed elio utilizzando un foglio di grafene spesso un atomo. Gli atomi vengono sparati perpendicolarmente al foglio di grafene ad alta energia. Questo dovrebbe danneggiare il cristallo ma non lo fa, ed è il segreto di questo esperimento di successo.
“Nonostante l’alta energia cinetica degli atomi e l’accoppiamento al sistema elettronico del grafene, osserviamo schemi di diffrazione caratterizzati da scattering coerente fino a otto vettori di reticolo reciproci. La diffrazione in questo regime è possibile grazie al breve tempo di interazione del proiettile con il cristallo sottilissimo, limitando il trasferimento di momento al reticolo,” hanno scritto i ricercatori nell’articolo.
Fondamentalmente, grazie alle peculiarità della meccanica quantistica, gli atomi ad alta energia possono più facilmente diffrangere attraverso il cristallo senza distruggerlo. Un preprint che descrive l’esperimento è disponibile tramite arXiv ed è ancora da sottoporre a revisione paritaria.