Gli elettroni non sono poi così indivisibili: il nuovo studio della Sissa su Science

Un simulatore quantistico della Rice University ha permesso di osservare la separazione spin-carica, la versione quantistica del numero di magia in cui si sega una persona a metà. Pubblicato questa settimana su Science, lo studio ha coinvolto il ricercatore della scuola triestina Sissa, Feng He, e fisici teorici negli Stati Uniti, in Cina e in Australia. La ricerca ha implicazioni per i computer quantistici e per l’elettronica con fili di dimensioni atomiche.

Gli elettroni sono particelle subatomiche minuscole e indivisibili. Nonostante ciò, secondo la meccanica quantistica, due delle loro caratteristiche, spin e carica, si muovono a velocità distinte in sistemi unidimensionali. I fisici della Rice University hanno costruito un ambiente ultrafreddo che gli ha permesso di vedere e fotografare ripetutamente questo spettacolo quantistico, formulato teoricamente da Shinichiro Tomonaga e Joaquin Luttinger circa 60 anni fa.

“Altri ricercatori avevano già rilevato la separazione spin-carica in materiali a stato solido, ma non l’avevano mai osservata in modo particolarmente pulito o quantitativo”, ha detto Randy Hulet, professore di fisica alla Rice University e membro della Rice Quantum Initiative. “Il nostro esperimento è il primo a fornire misure quantitative che possono essere confrontate con la teoria”.

Il giovane ricercatore della Sissa Feng He, in precedenza al Wuhan Institute of Physics and Mathematics (WIPM, Chinese Academy of Science), fa parte del gruppo di fisici teorici coinvolti nello studio. “Grazie a illuminanti discussioni con Xiwen Guan del WIPM e Han Pu della Rice University, io e il mio collega Sheng Wang al WIPM abbiamo curato l’analisi teorica e la riproduzione dei dati sperimentali. Abbiamo estratto dai dati le informazioni relative alla velocità di carica e spin con il metodo del Bethe ansatz termodinamico - un tecnica ampiamente usata per studiare le proprietà di equilibrio nel limite termodinamico", ha spiegato He. “Abbiamo dedicato molto tempo a quest’analisi a causa dei molti dettagli complicati. Alla fine, i dati sperimentali hanno confermato le previsioni dei nostri calcoli teorici” ha concluso il fisico.

La ricerca ha implicazioni per lo sviluppo di computer quantistici e per l’elettronica con cavi su scala atomica: “Ora che i circuiti integrati diventano sempre più piccoli, i produttori di microchip devono iniziare a preoccuparsi delle dimensioni”, ha detto Hulet. “Questi circuiti diventeranno sistemi unidimensionali in grado di condurre e trasportare elettroni nello stesso modo dei cavi monodimensionali di cui stiamo parlando”. Lo studio potrebbe anche accelerare lo sviluppo di tecnologie per computer quantistici topologici che codificherebbero l’informazione in qubit liberi dalla decoerenza che affligge i computer quantistici di adesso.