Come una svolta nella fisica potrebbe cambiare per sempre la tecnologia
Fisici dell’Università di Costanza hanno sviluppato un metodo innovativo per imprimere una forma geometrica di chiralità mai vista prima sugli elettroni , utilizzando la luce laser per creare spirali chiral di massa e carica. Questa scoperta apre nuove prospettive per la fisica quantistica , la fisica delle particelle e la microscopia elettronica , stimolando nuove ricerche scientifiche e innovazioni tecnologiche.
La chiralità, che descrive oggetti che non sono sovrapponibili con la loro immagine speculare, è stata ora applicata alla funzione d’onda di un singolo elettrone. Utilizzando la luce laser, gli scienziati hanno modellato l’onda di materia dell’elettrone in spirali di massa e carica, sia destrorse che sinistrorse. Queste particelle elementari con geometrie chiral diverse dal loro spin intrinseco hanno importanti implicazioni sia nella fisica fondamentale sia in applicazioni pratiche.
Il fenomeno della chiralità è cruciale sia in natura che nella tecnologia. Nel mondo delle particelle elementari, uno dei fenomeni chiral più importanti è lo spin , una proprietà puramente quantomeccanica che non ha analoghi classici. Ad esempio, lo spin di un elettrone è di un mezzo e può esistere in due stati potenziali: destroso e sinistrorso. Questo aspetto fondamentale della meccanica quantistica è alla base di molti fenomeni reali, come quasi tutti i fenomeni magnetici o la tavola periodica degli elementi. Lo spin degli elettroni è anche essenziale per lo sviluppo di tecnologie avanzate come i computer quantistici o i superconduttori .
Inoltre, esistono oggetti chiral compositi, come le nostre mani, composte da atomi che non presentano chiralità di per sé. Questo concetto si estende anche a molte molecole, dove la chiralità emerge senza componenti chiral. La geometria tridimensionale di una molecola, che sia destrorsa o sinistrorsa, può determinare effetti biologici completamente diversi.
Nella scienza dei materiali e nella nanofotonica , la chiralità influisce sul comportamento dei materiali magnetici e dei metamateriali, portando a fenomeni come gli isolanti topologici o il dicromatismo chirale . La capacità di controllare e manipolare la chiralità di materiali compositi formati da costituenti acirali offre quindi un ampio margine per regolare le proprietà dei materiali come richiesto dalle applicazioni.
Per quanto riguarda le tecniche di manipolazione degli elettroni, i ricercatori hanno ora dimostrato la possibilità di modellare un singolo elettrone in un oggetto tridimensionale chirale in termini di carica e massa, senza necessità di spin. Hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce combinato con tecnologia laser per generare impulsi di elettroni femtosecondi e modellarli in pattern chiral interagendo con onde laser modulate precisamente con campi elettrici a spirale. Questi campi hanno accelerato o rallentato gli elettroni a seconda della loro posizione azimutale, trasformando la funzione d’onda in una spirale chirale di massa e carica.
Per indagare ulteriormente, i ricercatori hanno inserito nanoparticelle d’oro con campi elettromagnetici chiral nel loro microscopio elettronico, utilizzando le spirali elettroniche chiral per misurare la dinamica di scattering. A seconda dell’interazione tra elettroni e oggetti nanofotonici chiral, i risultati hanno mostrato fenomeni di interferenza rotazionale costruttiva o distruttiva.
La capacità di modellare gli elettroni in spirali chiral di massa e carica apre nuove strade per l’esplorazione scientifica e l’innovazione tecnologica, con potenziali applicazioni in pinzette ottiche elettroniche chiral, tecnologie sensoriali chiral, microscopia elettronica quantistica e nella creazione di movimento rotazionale in materiali atomici o nanostrutturati.