Scienziati dell'Università di Manchester hanno scoperto un nuovo modo per testare la teoria della relatività di Einstein usando la punta di una matita. Fino ad ora è stato possibile testare la teoria solo costruendo macchine molto costose o studiando le stelle di galassie lontane. Il team di Manchester, composto da uno scienziato russo e un altro olandese, ha dimostrato invece che il test può essere effettuato in laboratorio usando un materiale ultra-sottile chiamato Grafene.

Il Grafene è ottenuto estraendo frammenti di grafite composti da un solo atomo mediante un processo simile a quello di disegnare con una matita. Il Professore di Fisica e Astronomia Andre Geim, a capo del team, ha dichiarato: “Per comprendere le implicazioni della teoria della relatività, i ricercatori spesso sono costretti ad un grande dispiego di tempo, risorse ed energie. Usando il Grafene si potrà rendere questi esperimenti molto più abbordabili, dato che richiedono un equipaggiamento molto più modesto”. Il team ha descritto in un articolo pubblicato da Nature (10 novembre 2005) come le cariche elettriche nel Grafene sembrano comportarsi come particelle relative prive di massa chiamate “massless Dirac fermions” (femioni Dirac senza massa) descritte dalla teoria di Einstein (l'equazione Dirac).

Dirac

I fermioni sono particelle che formano stati quantici compositi totalmente antisimmetrici. Il nome “fermioni” è stato attribuito in onore di Enrico Fermi. Le particelle elementari che formano la materia sono fermioni, principalmente quark (che formano i protoni e i neutroni) ed elettroni. L'equazione di Dirac descrive in modo relativistico invariante il moto dei fermioni. Per interpretare questo risultato dell'equazione, Dirac propose un'interpretazione che, di fatto, teorizza le antiparticelle e quindi l'antimateria (il mare di Fermi).

Il team ha registrato anche altri effetti relativistici come il movimento dinamico descritto dalla famosa equazione einsteiniana E=mc2. Come nel caso dei fotoni (particelle di luce) che pur essendo privi di massa subiscono l'effetto della forza gravitazionale esercitata dal Sole per via della loro dinamicità. Il Dr Kostya Novoselov ha aggiunto: “Gli effetti quantistici intero e frazionale di Hall sono state due delle scoperte più rimarchevoli del tardo Ventesimo secolo. Non è facile spiegare cosa significano. Il nostro lavoro è importante proprio in termini di leggi fisiche fondamentali dato che abbiamo scoperto nuove forme relativistiche dell'effetto quantistico di Hall”.

Edwin Hall

L'effetto Hall quantistico è l'equivalente in meccanica quantistica dell'effetto Hall, il quale prende il nome dal fisico Edwin Hall. Tramite questo effetto si può osservare il comportamento di alcuni materiali in cui scorrono elettroni e che si trovano a basse temperature ed immerse in un forte campo magnetico. La quantizzazione intera dell'effetto di Hall fu predetta da Ando, Matsumoto ed Uemura nel 1975 sulla base di calcoli approssimati. In seguito, molti lavorarono osservando gli effetti degli esperimenti eseguiti sul canale di inversione dei transistors MOSFET. Fu solo nel 1980 che il fisico Klaus von Klitzing lavorando su un semplice progetto di Michael Pepper e Gerhard Dorda fece l'inattesa scoperta che l'effetto di Hall è esattamente quantizzato. Per questa ricerca, von Klitzing vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1985.

La scoperta dell'effetto Hall quantistico frazionario è dovuta invece ai fisici, Daniel C. Tsui e Horst Störmer, che nel 1982 lo scoprirono da alcuni esperimenti sull'eterostruttura dell'arseniuro di gallio sviluppati da Arthur Gossard. Nel 1983 Robert B. Laughlin ne diede la spiegazione sfruttando un nuovo stato liquido quantico importante per studiare gli effetti delle interazioni tra elettroni. Tsui, Störmer e Laughlin vinsero nel 1998 il Premio Nobel per la fisica grazie al loro lavoro.

L'effetto fu poi spiegato nuovamente da Jainendra Jain considerando l'esistenza di particelle composite emergenti, formate da elettroni con del campo magnetico annesso. L'effetto Hall quantistico continua ad influenzare le teorie sulla classificazione delle particelle quantiche. Questa notizia è stata pubblicata dal periodico on line “Space Daily”.

(contiene estratti da Wikipedia)

E-mail: Alessio Mannucci