Immaginate di conoscere molto dell’energia e del movimento degli elettroni, ma di non avere idea della loro forma. Sembra un controsenso, eppure finora la “geometria quantistica” degli elettroni è rimasta fino a oggi un enigma. Un gruppo di ricercatori del MIT ha finalmente fatto luce su questo aspetto fondamentale, misurando per la prima volta laforma quantistica degli elettroni in un materiale solido. Lo studio, pubblicato su Nature Physics, si è concentrato su un metallo chiamato “kagome”, ma la tecnica utilizzata può essere applicata a qualsiasi materiale quantistico.

Ma cosa si intende per “geometria quantistica”? Per comprenderlo, dobbiamo considerare che gli elettroni possono comportarsi sia come particelle che come onde. Quando si comportano come onde, formano pattern ondulatori descritti da funzioni matematiche chiamate “funzioni d’onda”. Queste funzioni predicono la posizione e altre proprietà degli elettroni in un dato momento.

La geometria quantistica, espressa matematicamente da uno strumento chiamato “tensore geometrico quantistico” (QGT), descrive la forma di queste funzioni d’onda e come cambiano quando vengono modificati parametri come il campo magnetico o la temperatura.

Fino ad ora, il QGT poteva essere solo calcolato teoricamente, ma il team del MIT è riuscito a misurarlo direttamente utilizzando una tecnica chiamata “spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo” (ARPES). In pratica, hanno illuminato il metallo kagome con una luce che ha causato l’emissione di elettroni. L’ARPES ha tracciato l’energia e la direzione di questi elettroni, creando una mappa della loro distribuzione nel metallo.

Questi dati hanno rivelato la forma e la struttura degli stati energetici degli elettroni, mostrando come si muovono attraverso il materiale e interagiscono con il suo reticolo. In questo modo, i ricercatori hanno potuto analizzare il QGT degli elettroni, insieme ad altre proprietà importanti come la struttura a bande e le caratteristiche topologiche.

Comprendere la geometria quantistica degli elettroni è fondamentale perché rivela come si muovono, interagiscono e influenzano le proprietà del materiale, come la conduttività, il magnetismo e la superconduttività. Inoltre, aiuta a scoprire comportamenti quantistici insoliti, aprendo la strada a nuovi materiali e dispositivi con proprietà uniche. “Abbiamo essenzialmente sviluppato un modello per ottenere informazioni completamente nuove che prima non potevano essere ottenute”, ha affermato Riccardo Comin, uno degli autori dello studio e professore di fisica al MIT.

A proposito di conquiste a livello quantistico, lo sapevate che recentemente un team internazionale di ricercatori ha identificato per la prima volta un nuovo stato della materia teorizzato da tempo?