Grafene e Marmo.... "Collasso Atomico"

In un nucleo atomico superpesante, un elettrone può spiraleggiare lungo una traiettoria semi-classica verso il nucleo, con la contemporanea emissione di un positrone.
Questo fenomeno, finora sfuggito all'osservazione per le difficoltà di realizzazione degli esperimenti, è stato ora rilevato in aggregati di ioni calcio su una superficie di grafene. Il risultato è di particolare interesse per lo sviluppo di dispositivi elettronici nanometrici Un singolare fenomeno quantomeccanico di “collasso atomico”, previsto una settantina di anni fa, è stato osservato per la prima volta da un gruppo di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell'Università della California a Berkeley, che descrivono il metodo con cui sono riusciti a rilevarlo in un articolo pubblicato su “Science”. La scoperta è di particolare interesse per lo sviluppo dei futuri dispositivi elettronici su scala nanometrica, nei quali la carica elettrica è concentrata in aree molto piccole.

Gli elettroni non relativistici in orbita attorno a un nucleo subcritico seguono la tradizionale orbita circolare di Bohr della fisica atomica. Ma quando la carica nucleare supera il valore critico, Zc, si prevede che si verifichi il fenomeno di "collasso atomico" con un elettrone che spiraleggia lungo una traiettoria verso il nucleo, da cui poi si allontana a spirale un positrone, l'antiparticella dell'elettrone. (Cortesia Michael Crommie, Lawrence Berkeley National Laboratory)

Secondo la teoria, il collasso atomico si verifica quando la carica di un nucleo atomico superpesante, superando una soglia critica, fa sì che il campo coulombiano generato porti un elettrone in uno stato che lo fa spiraleggiare con una traiettoria semi-classica verso il nucleo, con la contemporanea emissione di un positrone, ovvero l'antiparticella dell'elettrone, che sfugge all'atomo. Questa situazione si distingue nettamente da quello che avviene in un atomo tipico, in cui l'elettrone occupa stabilmente un'orbita attorno al nucleo.

Per osservare il fenomeno, nei decenni scorsi erano stati condotti alcuni esperimenti facendo collidere fra loro ioni molto pesanti, in modo da ottenere un nucleo dotato di una carica supercritica, ma i risultati sono sempre stati molto ambigui, anche a causa dell'elevatissimo numero atomico, cioè il numero di protoni, richiesto al prodotto della collisione, che deve aggirarsi intorno a 170.

I ricercatori sono ora riusciti ad aggirare questa difficoltà sfruttando le particolari proprietà del grafene, nel quale gli elettroni possono muoversi 100 volte più velocemente di quanto fanno nel silicio. "Il grafene ci ha dato l'opportunità di vedere un analogo di questo comportamento della materia condensata, dato che la straordinaria natura relativistica degli elettroni nel grafene richiede una soglia della carica nucleare molto più piccola per la creazione di nuclei supercritici che presentano un comportamento di collasso atomico", ha detto Michael Crommie, che ha diretto lo studio.

Nell'esperimento Crommie e collaboratori hanno usato un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) in vuoto ultra-alto per costruire, attraverso la manipolazione atomica, un “nucleo artificiale” - in effetti, aggregati di dimeri (ovvero coppie) di ioni calcio - sulla superficie di un dispositivo di grafene. Di fatto, i ricercatori hanno costretto i dimeri di calcio ad assieparsi in uno spazio ristrettissimo fino a quando la carica totale dell'aggregato così ottenuto è diventa supercritica.

Struttura di un foglio di grafene (© Science Picture Co/Science Faction/Corbi)

"Nei nostri nuclei artificiali, i dimeri di calcio con carica positiva posti sulla superficie del grafene svolgono lo stesso ruolo dei protoni nei normali nuclei atomici", spiega Crommie. "Comprimendo abbastanza carica positiva in una zona sufficientemente piccola, abbiamo potuto osservare direttamente come si comportano gli elettroni attorno a un nucleo quando la carica nucleare viene progressivamente aumentata, passando da un valore inferiore al limite di carica supercritico, dove non c'è collasso atomico, a un valore superiore, dove avviene il collasso atomico."

In questo modo i ricercatori hanno potuto osservare, con la spettroscopia STM, l'emergere di un particolare stato elettronico nelle immediate vicinanze del loro “nucleo artificiale”; la rilevazione di questo stato elettronico non è esattamente la stessa cosa dell'osservazione del positrone "fuggitivo" cercato nei classici esperimenti di collisione fra ioni, osservano Crommie e colleghi, ma è comunque un suo perfetto corrispondente perché le equazioni che governano i due fenomeni sono sostanzialmente le stesse.

In anni recenti, infatti, gli studiosi del grafene hanno previsto che le impurità fortemente cariche eventualmente presenti in questo materiale devono esibire un fenomeno di risonanza elettronica che corrisponde allo stato di collasso atomico dei nuclei superpesanti.

Un altro passo della teoria quantistica verso la relatività

Creato il 08 agosto 2010 da Thunderstorm

 

Tutta la materia di cui è composto l'universo ha una struttura certa e prevedibile, grazie agli elettroni che ruotano attorno ai loro nuclei atomici in una serie di gusci concentrici, i livelli atomici. Un principio fondamentale che regola queste strutture, il  Principio di Esclusione di Pauli, afferma che due elettroni non possono occupare lo stesso livello atomico (o stato quantico) nello stesso momento: semplificando, se entrambi si trovano ad occupare la stessa orbita, devono necessariamente avere spin opposti (lo spin è assimilabile ad una rotazione sul proprio asse). Fisici della Syracuse University hanno invece sviluppato un nuovo modello teorico per spiegare come può essere violato il principio di Pauli e come, in alcune condizioni piuttosto rare, lo stesso stato quantico può essere occupato da più di un elettrone.Il loro modello può aiutare a comprendere il comportamento della materia nei pressi dei buchi neri e contribuire alla stesura di una teoria della gravità quantistica.Le transizioni degli elettroni da uno stato quantico ad un altro che violano il principio di esclusione sfidano i fondamenti della fisica; per questo motivo c'è un forte interesse verso questo tipo di studi. 
Il modo ordinato con cui gli elettroni riempiono i livelli atomici fornisce stabilità e struttura alla materia, come pure detta le proprietà degli elementi nella tavola periodica. Alla base di questa stabilità c'è la capacità di individuare la posizione degli oggetti (elettroni, protoni e neutroni) in maniera quasi esatta nello spazio e nel tempo. Il nuovo modello, che si applica negli ambiti dove la gravità quantistica diventa significativa, rompe questa rappresentazione continua dello spazio-tempo, influenzando profondamente la simmetria rotazionale degli atomi e determinando le transizioni elettroniche che violano il principio di Pauli."Il Principio di Pauli non viene rispettato nel modello che abbiamo costruito", spiega Balachandran, uno degli scienziati che ha partecipato alla stesura della teoria."Abbiamo poi usato delle evidenze sperimentali già note per mettere dei limiti nell'ambito in cui possono avvenire queste particolari transizioni".In accordo con il modello, le violazioni del principio di Pauli dovrebbero teoricamente verificarsi in natura in un arco di tempo più lungo dell'attuale età dell'universo. Sebbene questo effetto sia piccolo, gli scienziati stanno usando degli strumenti ad alta precisione per cercare di osservarlo. Se sarà confermato modificherà profondamente i fondamenti delle attuali teorie fisiche fondamentali."Inoltre, in un mondo in cui si verificassero queste violazioni, anche la chimica e la biologia subirebbero profonde modifiche" aggiunge Padmanabhan, co-autore della teoria insieme anche a Anosh Joseph. Il fatto che il Principio di Pauli può essere violato può anche aiutare a comprendere il comportamento della materia nel bordo di un buco nero. Continua Joseph: "Sebbene non conosciamo ancora cosa accade alla materia all'interno di un buco nero, il nostro modello può dare indicazioni su come la materia si comporta a livello di collasso atomico sotto l'influenza del campo gravitazionale dei buchi neri".