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22 Aprile 2008

Elettroni, misurate per la prima volta le vibrazioni

Quartetto di elettroni in movimento coordinato sotto l'azione di un fascio laser
Fonte: Infm-Cnr

Racchiusi in una nanotrappola, 4 elettroni che si muovono con perfetta coordinazione hanno permesso ai ricercatori di parlare di una vera e propria "danza degli elettroni".

I risultati di questa ricerca hanno dimostrato che è possibile manipolare il moto degli elettroni con una precisione mai raggiunta prima. Il dato apre nuove prospettive che riguardano la computazione quantistica.

Lo studio, durato 5 anni, è il frutto di una collaborazione internazionale fra Infm-Cnr - con i centri S3 di Modena e Nest di Pisa - Università di Modena e Reggio Emilia, Scuola Normale Superiore e Columbia University di New York.

Il metodo utilizzato

Per misurare le vibrazioni collettive degli elettroni, le particelle sono state intrappolate in punti quantici (strutture grandi appena qualche miliardesimo di metro) ricavati in un cristallo di arseniuro di gallio.
I ricercatori del centro di Pisa, che hanno realizzato le nanotrappole e curato la parte sperimentale dello studio, sono riusciti a determinare la frequenza delle vibrazioni grazie a un fascio di luce laser.
I risultati ottenuti in laboratorio sono in accordo con quanto previsto dai ricercatori di Modena che hanno curato la parte teorico-computazionale dello studio: confinati all’interno di un punto quantico, gli elettroni possono muoversi solo in modo coordinato, con distanze medie fissate, e le leggi della meccanica quantistica – le uniche che permettono di descrivere cosa accade – prevedono che queste vibrazioni collettive debbano avere precise frequenze.

Ma come essere sicuri che gli elettroni si muovano in modo sincronizzato? “Secondo i nostri calcoli – spiega Massimo Rontani, ricercatore del centro S3 di Modena – le frequenze di vibrazione degli elettroni non avrebbero subìto cambiamenti nemmeno mettendo in rotazione le particelle all'interno del punto quantico, come quando, mescolando molto lentamente il caffè, le distanze medie fra le particelle non cambiano. E in effetti così è stato: quando un debole campo magnetico ha messo in rotazione gli elettroni le frequenze non sono variate”. Si è quindi ottenuta la prova mancante per confermare la riuscita dell'esperimento.

“Siamo stati in grado non solo di modificare lo spin degli elettroni – aggiunge Vittorio Pellegrini, ricercatore del centro NEST di Pisa – ma anche di mettere in vibrazione il quartetto di elettroni in modo controllato utilizzando debolissimi fasci di luce. Le potenziali applicazioni di questi sistemi per la computazione quantistica sono molte poiché l'opportunità di manipolare le proprietà quantistiche in modo tanto preciso aumenta la quantità di informazione che si riesce ad elaborare. Si possono affrontare dunque problemi più complessi. Certo, tutto questo ha un prezzo, perché i sistemi che consideriamo possono operare solo a bassa temperatura e hanno forzatamente dimensioni piccolissime. Però le potenzialità sono altrettanto straordinarie”.