I fisici in Germania hanno condotto esperimenti che dimostrano che l’inerzia degli elettroni può formare “tornado” all’interno di un semimetallo quantistico. È quasi impossibile per gli elettroni rimanere immobili, e i loro movimenti possono assumere forme bizzarre. Un esempio: un’analisi del comportamento degli elettroni in un materiale quantistico chiamato arseniuro di tantalio rivela vortici. Ma la storia diventa ancora più strana. Questi elettroni non stanno spiraleggiando in un luogo fisico, ma in una sfocatura quantistica di possibilità chiamata spazio dei momenti. Piuttosto che disegnare una mappa delle potenziali posizioni delle particelle, o spazio delle posizioni, lo spazio dei momenti descrive il loro movimento attraverso la loro energia e direzione.
Vortici simili sono stati precedentemente osservati nello spazio delle posizioni. Misurando i valori dei momenti degli elettroni e tracciandoli su un grafico tridimensionale, emerge anche lì un sorprendente schema a vortice. La scoperta potrebbe aprire la strada a una forma completamente nuova di elettronica: un campo chiamato “orbitronica” che potrebbe sfruttare il potere rotante degli elettroni invece della loro carica elettrica per trasportare informazioni nei circuiti elettronici o nei computer quantistici.
La scoperta è stata fatta in un intrigante cristallo di semimetallo chiamato arseniuro di tantalio. In un certo senso, non è sorprendente: è in questo materiale che il fermione di Weyl, a lungo previsto, è stato trovato per la prima volta. Questa particella senza massa funziona essenzialmente come un elettrone super-efficiente, e la sua scoperta ha richiesto le speciali proprietà quantistiche dell’arseniuro di tantalio.
Quelle proprietà hanno reso il materiale la scelta perfetta per la caccia ai tornado quantistici. Il problema è sorto nel capire come osservarli. Gli scienziati di un centro di ricerca chiamato Complessità e Topologia nella Materia Quantistica (ct.qmat) in Germania hanno condotto uno studio che è riuscito a farlo utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia fotoemissione risolta in angolo (ARPES) su un campione di arseniuro di tantalio.
“L’ARPES è uno strumento fondamentale nella fisica sperimentale dello stato solido. Comporta l’illuminazione di un campione di materiale, l’estrazione degli elettroni e la misurazione della loro energia e angolo di uscita,” afferma Maximilian Ünzelmann, fisico sperimentale all’Università di Würzburg. “Questo ci dà una visione diretta della struttura elettronica di un materiale nello spazio dei momenti. Adattando abilmente questo metodo, siamo stati in grado di misurare il momento angolare orbitale.”
Ogni osservazione, tuttavia, fornisce solo un’istantanea bidimensionale degli elettroni nel materiale. Per confermare che i tornado quantistici si formano in questo regno, il team ha dovuto impilare ogni misurazione in un modello 3D, come una scansione TC. Il risultato finale è un modello colorato che mostra una struttura a vortice molto chiara.
“Abbiamo analizzato il campione strato per strato, in modo simile a come funziona la tomografia medica,” dice Ünzelmann. “Cucendo insieme le singole immagini, siamo stati in grado di ricostruire la struttura tridimensionale del momento angolare orbitale e confermare che gli elettroni formano vortici nello spazio dei momenti.”
Il team afferma che ulteriori lavori potrebbero portare non solo a un’elettronica più efficiente, ma a una classe completamente nuova di dispositivi chiamati orbitronica. Questo potrebbe anche funzionare insieme a un altro potenziale successore della tecnologia elettronica: la spintronica, che codifica le informazioni nello spin degli elettroni. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Physical Review X.