La nanofisica risolve il mistero del cristallo di Wigner

(Photocredit: CNR).

Soprattutto in fisica quantistica esistono moltissimi fenomeni esotici che gli scienziati non sono riusciti ancora a rendere del tutto coerenti, se portati al cospetto del tribunale dell’esperienza percettiva. Ma qualcosa sta cambiando. Il cristallo di Wigner infatti non rientra più in questa categoria. A dimostrarlo è la ricerca condotta da un gruppo internazionale di ricercatori, facenti capo al Weizmann Institute, alla Cornell University e all’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (CnrNano) di Modena. 

I fisici sono riusciti a realizzare un esperimento che permette di osservare e misurare eliminando ogni incertezza connessa al processo una coppia di elettroni cristallizzati all’interno di un nanotubo di carbonio. “Il cristallo di Wigner è uno stato della materia, teorizzato quasi ottanta anni fa da uno dei fondatori della meccanica quantistica, Eugene Wigner, che si realizza quando elettroni liberi di muoversi si dispongono nello spazio in posizioni precise a formare un reticolo cristallino, un po’ come se restassero ʻcongelatiʼ attorno a punti fissi. Una condizione sorprendente, poiché di norma gli elettroni liberi costituiscono un fluido in grado di scorrere, che ad esempio nei metalli dà luogo alla corrente elettrica, mentre quando sono ʻcristallizzatiʼ, dal punto di vista elettrico, formano un isolante”, spiega Massimo Rontani del CnrNano.

Fino ad oggi le conferme sperimentali dell’esistenza del cristallo di Wigner erano state poche e non così cogenti. Massimo Rontani ne elenca brevemente i motivi: “è uno stato estremamente ‘fragile’, nel quale è necessario che gli elettroni siano in un ambiente del tutto neutro e inerte, una condizione difficile da ottenere per particelle cariche come gli elettroni, che risentono delle molte interazioni con la materia circostante. Ogni perturbazione impedisce la cristallizzazione e la sfida è trovare un sistema capace di isolare gli elettroni senza interferire con essi”.

Nell’esperimento è stato usato un nanotubo di carbonio sospeso nel vuoto, mantenuto a temperature prossime allo zero assoluto. “Abbiamo osservato che elettroni liberi di muoversi all’interno si dispongono a formare un cristallo di Wigner”, conclude Massimo Rontani. “Oltre a essere una delle rare evidenze sperimentali di questo fenomeno, lo studio mostra che i nanotubi sono un sistema in grado di garantire un estremo isolamento da perturbazioni esterne e al contempo facilmente manipolabile, perciò potrebbero essere candidati ideali per realizzare dispositivi nel campo della computazione quantistica”. (Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 19/09/2013).

I risultati sono descritti nel seguente articolo:

S. Pecker, F. Kuemmeth, A. Secchi, M. Rontani, D. C. Ralph, P. L. McEuen, S. Ilani, Observation and spectroscopy of a two-electron Wigner molecule in an ultraclean carbon nanotube, in “Nature Physics, 9, 576–581 (2013), doi: 10.1038/nphys2692.

Per approfondire, si può inoltre leggere:

Pecker, S., Observation and spectroscopy of a two-electron Wigner molecule in an ultraclean carbon nanotube, in “Nature Physics” 9, (2013). DOI:10.1038/nphys2692.

Wigner, E., On the Interaction of Electrons in Metals, in “Physical Review” 46, (1934). DOI:10.1103/PhysRev.46.1002.

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