Grafene e relatività

Hanno lavorato sul grafene, cioè su fogli di carbonio puro, dello spessore di un solo atomo, dove gli elettroni corrono 100 volte più veloci che nel silicio.
Per questa e altre virtù meccaniche, il grafene è visto come il materiale dell'elettronica del futuro. La scoperta fatta non è però orientata al mercato, bensì alla rivelazione di un effetto di carattere 'fondamentale', la cui conoscenza si rivelerà senz'altro utile nei futuri nano-dispositivi, dove si avranno grandi concentrazioni di carica elettrica in volumi piccolissimi. Lo strano stato elettronico individuato è detto 'collapse state', dove un elettrone, invece di stare nella sua orbita alla Bohr, spiraleggia in maniera classica verso il nucleo, dando infine origine a una coppia elettrone positrone. Questo effetto, legato a un campo elettrostatico super-intenso, per lungo tempo è stato solo una conseguenza recondita dell'equazione quanto-relativistica di Dirac. Mancava la prova sperimentale diretta, raggiunta esplorando gli effetti delle velocità relativistiche degli elettroni nel grafene. Che si conferma l'arena perfetta per indagini di carattere 'fondamentale', dopo il Nobel conseguito da Andrei Geim e Konstantin Novoselov nel 2010.
Con la fisica atomica della materia condensata che gareggia, quanto a ricerche fondamentali, con la fisica nucleare e delle particelle. Ecco il commento di Gianluca Colò: "In realtà a me pare che questa non sia né fisica nucleare né fisica atomica, ma fisica "fondamentale" tout court. Si tratta di avere una conferma di un aspetto particolare e interessante della teoria di Dirac.
L'equazione di Dirac prevede l'esistenza di anti-particelle, questo lo sanno e lo studiano tutti, e le anti-particelle sono state ben osservate sperimentalmente. Ma tra i "by-products" dell'equazione di Dirac c'è questo effetto specifico, che si nota risolvendola per una particella carica come l'elettrone in un campo puramente elettrostatico (Coulombiano). La soluzione più bassa (lo stato 1s) viene a dipendere da un fattore radice quadrata di 1-(Z\alpha)²  (alpha=1/137 è la costante di struttura fine). Per atomi normali questo fattore non può mai divenire immaginario, ma potrebbe succedere per atomi super-pesanti.
Questo era già stato studiato da Pomeranchuk (un fisico sovietico) nel 1945. All'epoca si mostrò che in realtà questa "transizione" ad autovalori immaginari per Z=137 non avviene, perché bisogna tener conto che il campo nucleare non è quello di una carica puntiforme (il nucleo ha un'estensione finita). Ma si vide anche che lo stato 1s diventa uno stato ad energia minore di zero. Che vuol dire? Nella teoria di Dirac lo stato di elettrone libero ha energia pari alla massa dell'elettrone. Se l'elettrone è legato, l'energia è minore. Ad energia pari a meno la massa dell'elettrone c'è il positrone libero. Nel gap tra zero e meno la massa dell'elettrone c'è il positrone legato. Ma qui succede che l'elettrone legato, al crescere di Z, spinge la sua energia nella parte dove ci dovrebbe essere il positrone legato! Lo si può vedere come una transizione elettrone-positrone indotta da un campo elettromagnetico molto intenso (statico), ma anche come una predizione specifica della teoria di Dirac, che vale la pena di osservare sperimentalmente. Dato che finora sono stati osservati elementi solo fino a Z=114, e che questi vivono un tempo così breve da non poter fare fisica atomica, ecco che si è cercato un sistema alternativo dove localmente i campi siano intensi."
Per saperne di più:
Observing Atomic Collapse Resonances in Artificial Nuclei on Graphene