Lo spazio è come una scacchiera?

Il Giornale Online
di Jennifer Marcus
18 Marzo 2011

I fisici alla UCLA hanno lavorato per ottenere un transistor migliore per poi scoprire un nuovo modo di pensare alla struttura dello spazio. Lo spazio solitamente è considerato divisibile infinitamente – date due posizioni qualsiasi, c'è sempre una posizione di mezzo. Però in un recente studio col proposito di sviluppare transistor ultra-veloci al grafene, ricercatori del Dipartimento di Fisica e Astronomia della UCLA http://home.physics.ucla.edu/ e del California NanoSystems Institute http://www.cnsi.ucla.edu/ mostrano che dividere lo spazio in posizioni discrete, come su una scacchiera, possa spiegare come elettroni puntiformi, che non hanno raggio finito, riescano a portare il loro intrinseco momento angolare o “spin”. Studiando le proprietà elettroniche del grafene, il professor Chris Regan e lo studente laureato Matthew Mecklenburg hanno scoperto che una particella può acquisire spin stando in uno spazio con due tipi di posizioni, piastrelle scure e piastrelle luminose. La particella sembra ruotare se le piastrelle sono abbastanza vicine, tanto che la loro posizione non può essere rilevata.

“Lo spin di un elettrone può nascere perchè lo spazio a distanze molto piccole non è omogeneo, ma piuttosto è segmentato, come una scacchiera” dice Regan. Le loro scoperte sono pubblicate nell'edizione del 18 Marzo del journal Physical Review Letters http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.106.116803 Nella meccanica quantistica, lo “spin up” e lo “spin down” si riferiscono ai due tipi di stato che possono essere assegnati ad un elettrone. Che lo spin dell'elettrone possa avere solo due valori, non uno, tre o un numero infinito, può aiutare a spiegare la stabilità della materia, la natura del legame chimico e molti altri fenomeni fondamentali. Comunque, non è chiaro come l'elettrone gestisca il movimento rotativo implicato dal suo spin. Se l'elettrone avesse un raggio, la superficie dovrebbe muoversi più rapidamente della velocità della luce, violando la teoria della relatività. Gli esperimenti mostrano che l'elettrone non ha un raggio; si pensa essere una particella puntiforme senza superficie o sottostruttura che possa ruotare.

Nel 1928, il fisico Britannico Paul Dirac ha mostrato che la rotazione dell'elettrone è intimamente legata alla struttura dello spazio-tempo. Il suo argomento elegante combina la meccanica quantistica con la relatività speciale, la teoria di Einstein dello spazio-tempo (rappresentata dalla famosa equazione E=mc^2). L'equazione di Dirac, lontana dallo spiegare lo spin, in realtà lo richiede. Mentre mostra che la meccanica quantistica relativistica richiede lo spin, l'equazione non fornisce una descrizione meccanica che spieghi come una particella puntiforme abbia momento angolare o perchè questo spin abbia due valori. Svelando un concetto che è ingannevolmente semplice, Regan e Mecklenburg hanno scoperto che lo spin degli elettroni a doppio valore può nascere con due tipi di piastrellature – luce e oscurità – in uno spazio come una scacchiera. Hanno sviluppato questo modello quantomeccanico lavorando su un problema sorprendentemente pratico della creazione di migliori transistor da un nuovo materiale detto grafene.
Il grafene, un singolo foglio di grafite, è uno strato di carbonio atomicamente sottile, con una struttura a nido d'ape. Prima isolato nel 2004 da Andre Geim e Kostya Novoselov, il grafene possiede una ricchezza di straordinarie proprietà elettroniche, come alta mobilità elettronica e capacità di corrente. Infatti, queste proprietà promettono rivoluzionari avanzamenti, tali che Geim e Novoselov hanno vinto il Premio Nobel nel 2010 appena sei anni dopo i loro risultati. Regan e Mecklenburg sono parte di uno sforzo della UCLA per sviluppare transistor estremamente veloci usando questo nuovo materiale. “Volevamo calcolare l'amplificazione di un transistor di grafene”, ha detto Mecklenburg. “La nostra collaborazione li stava costruendo e necessitava di sapere quanto bene avrebbero funzionato.”

Questo calcolo richiedeva la comprensione di come la luce interagisca con gli elettroni nel grafene. Gli elettroni nel grafene si muovono saltando da un atomo di carbonio all'altro, come se fossero su una scacchiera. Le piastrelle della scacchiera del grafene sono triangolari, quelle scure puntano “su” e quelle luminose puntano “giu”. Quando un elettrone nel grafene assorbe un fotone, salta dalle piastrelle luminose a quelle scure. Mecklenburg e Regan manno mostrato che questa transizione è equivalente al salto di spin da “su” a “giu”. In altre parole, confinare gli elettroni nel grafene in specifiche posizioni discrete nello spazio, fornisce loro lo spin. Questo spin, che deriva dalla geometria speciale della struttura a nido d'ape del grafene, è in aggiunta e distinto dal solito spin dell'elettrone. Nel grafene lo spin aggiuntivo riflette la struttura a scacchiera irrisolta nello spazio che l'elettrone occupa.

“Il mio consulente (Regan) ha passato il suo Ph.D. studiando la struttura dell'elettrone”, ha detto Mecklenburg. “Quindi era molto emozionato nel vedere che lo spin può emergere dalla struttura. Questo ti porta a chiedere se l'usuale elettrone possa generarsi allo stesso modo”. “Non è ancora molto chiaro se questo lavoro sarà più utile nella fisica della materia condensata o delle particelle”, ha detto Regan, “ma sarebbe strano se la struttura a nido d'ape del grafenne fosse l'unica capace di generare lo spin”.

Il California NanoSystems Institute at UCLA http://www.cnsi.ucla.edu/ è una struttura di ricerca integrata che si trova alla UCLA e alla UC Santa Barbara. La sua missione è promuovere collaborazioni interdisciplinari nella nanoscienza e nella tecnologia, preparare una nuova generazione di scienziati, educatori e leader della tecnologia, generare collaborazioni con l'industria e contribuire allo sviluppo economico e al benessere sociale in California, negli Stati Uniti e nel mondo. Il CNSI è stato fondato nel 2000 con 100 milioni di dollari dallo stato della California. Ulteriori 850 milioni di dollari sono arrivati dal fondo federale e industriale. I membri del CNSI vengono dal College della UCLA di Lettere e Scienze, dalla scuola di medicina David Geffen, dalla scuola di Odontoiatria, la Scuola di Salute Pubblica e dalla Scuola Henry Samueli di Ingegneria e Scienza Applicata. Si occupano di misurare, modificare e manipolare gli atomi e le molecole, i mattoni del nostro mondo. Il loro lavoro viene eseguito in laboratorio. Questa ricerca dinamica permette una comprensione migliore dei fenomeni in scala nanometrica e promette importanti scoperte nella salute, nell'energia e nella tecnologia ambientale e informazionale.

Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://newsroom.ucla.edu/portal/ucla/is-space-like-a-chessboard-199015.aspx
Vedi: http://www.commonsensescience.org/ http://www.altrogiornale.org/news.php?extend.5366 http://www.altrogiornale.org/news.php?extend.5952.7

Lo spazio è come una scacchiera? ultima modifica: 2011-03-26T17:33:32+00:00 da Richard
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Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)