{"id":9286,"date":"2020-12-12T23:52:20","date_gmt":"2020-12-12T22:52:20","guid":{"rendered":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9286"},"modified":"2020-12-12T23:52:22","modified_gmt":"2020-12-12T22:52:22","slug":"sulle-tracce-di-un-nuovo-tipo-di-elettroni","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9286","title":{"rendered":"Sulle tracce di un \u201cnuovo tipo\u201d di elettroni"},"content":{"rendered":"\n

Perch\u00e9 alcuni materiali emettono elettroni con un\u2019energia molto specifica? Come quelli a 3.7 elettronvolt osservati fuoriuscire dalla grafite? Un team di fisici del Politecnico di Vienna ha ora trovato una risposta. Media Inaf ha intervistato una delle scienziate che hanno firmato il risultato, Alessandra Bellissimo<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Il team della Tu Wien che ha condotto l\u2019esperimento. Da sinistra: Florian Libisch, Philipp Ziegler, Wolfgang Werner e Alessandra Bellissimo. Crediti: Tu Wien<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Escono dagli atomi di carbonio della grafite tutti con lo stesso esatto livello di energia: 3.7 elettronvolt. \u00c8 un fenomeno noto da mezzo secolo, ma fino a oggi senza spiegazione. Quale processo pu\u00f2 mai esserci all\u2019origine di questo strano comportamento<\/em>? \u00c8 ora riuscito a chiarire l\u2019enigma un team dell\u2019Istituto di fisica applicata del Politecnico di Vienna<\/em> guidato da Wolfgang Werner<\/strong>, primo autore di uno studio<\/strong><\/a> pubblicato questo mese su Physical Review Letters<\/em> che vede fra i coautori anche\u00a0Alessandra Bellissimo<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

Nata a Napoli, all\u2019eta di 17 anni Bellissimo si \u00e8 trasferita a Vienna, dove ha studiato fisica al Politecnico terminando gli studi proprio sotto la supervisione del professor Werner. In seguito, grazie a una borsa di studio finanziata dalla Comunit\u00e0 Europea nell\u2019ambito di un programma Marie-Sklodowska-Curie Action<\/em> di ricerca e training internazionale \u2013 il programma Simdalee2<\/strong><\/a> \u2013 ha potuto conseguire il dottorato all\u2019Universit\u00e0 di Roma Tre<\/em>, sotto la supervisione del professor Giovanni Stefani<\/strong>, anch\u2019egli fra i coautori dell\u2019articolo. E ora, dopo una prima esperienza da postdoc<\/em> all\u2019Ethz<\/strong>, il Politecnico di Zurigo<\/em>, Bellissimo \u00e8 da poco ritornata alla Tu Wien,<\/em> la Technische Universit\u00e4t di Vienna,<\/em> dove l\u2019abbiamo raggiunta per capire meglio questo strano fenomeno e i risultati dell\u2019esperimento pubblicati su Prl<\/strong><\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Dottoressa Bellissimo, partiamo da questi particolari elettroni: avete gi\u00e0 dato loro un nome? <\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abNo, non li abbiamo etichettati, dato che gli elettroni sono di per s\u00e9 indistinguibili. Forse, pi\u00f9 in l\u00e0 penseremo a dargli un nome proprio, se sar\u00e0 opportuno\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Cosa li contraddistingue?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abQuesti elettroni hanno tutti la stessa energia e ci\u00f2 \u00e8 dovuto al fatto che vengono emessi dalla superficie sempre dallo stesso livello<\/em> (di preferenza rispetto ad altri). Esistono fenomeni che danno luogo a elettroni \u201cillustri\u201d conosciuti come fotoelettroni<\/strong><\/a> e Auger<\/strong><\/a>: l\u2019emissione di questi particolari elettroni \u00e8 caratterizzata da processi che coinvolgono sempre degli specifici livelli energetici occupati,<\/em> quindi prima della loro emissione. Nel nostro caso, invece, \u00e8 proprio questo canale di emissione preferenziale<\/em> \u2013 con questa energia da 3.7eV<\/em> \u2013 che determina il loro particolare carattere. Quindi, \u00e8 lo stato finale<\/em>, in altre parole la banda elettronica<\/em> attraverso la quale essi riescono a fuoriuscire che ne determina l\u2019energia e non lo stato iniziale<\/em> dal quale essi provengono sotto il livello di vuoto.<\/p>\n\n\n\n

C\u2019\u00e8 qualcosa che li aiuta a fuoriuscire? E da cosa fuoriescono, esattamente?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abNel nostro esperimento, per provocare la fuoriuscita di elettroni<\/em> in generale, bombardiamo il campione con un fascio di elettroni primar<\/em>i. La collisione di un elettrone entrante nel solido<\/em> \u2013 tra le altre cose \u2013 d\u00e0 luogo a una risposta collettiva<\/strong> degli elettroni all\u2019interno della superficie<\/em>: un cosiddetto plasmone<\/strong><\/a>. Questo lo si pu\u00f2 immaginare come un movimento oscillatorio di elettroni e buche<\/em> (cariche positive) che danno luogo a un\u2019onda di densit\u00e0 di cariche che si propagano nella superficie<\/em>. I plasmoni sono noti e si osservano in vari materiali, ma nel caso specifico della grafite crediamo che questa interazione collettiva provochi una rottura della simmetria del cristallo bidimensionale<\/strong>, dando luogo a un livello energetico ibrido<\/strong>. Questo evento di ibridizzazione modifica le bande elettroniche, andando a creare questo canale di emissione preferenziale (con un\u2019energia esatta di 3.7eV) al di sopra del livello di vuoto<\/strong> che esibisce entrambe le propriet\u00e0 di ciascuna banda elettronica. Uno dei due stati elettronici ha come caratteristica un\u2019alta densit\u00e0 di stati ma mobilt\u00e0 zero<\/em>. Un elettrone proveniente da uno stato occupato popola \u201cvolentieri\u201d questa banda, ma data la mobilit\u00e0 ridotta, esso non dovrebbe riuscire a essere emesso e raggiungere l\u2019analizzatore: in altre parole, dovrebbe rimanere bloccato in quel livello energetico\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

E invece?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abInvece questo livello energetico incrocia una banda di elettroni con alta dispersione, favorendone il trasporto e la loro trasmissione<\/em>. L\u2019evento di ibridizzazione fa s\u00ec che il nuovo livello energetico (ibrido)<\/em> abbia entrambe le propriet\u00e0 di queste bande: alta densit\u00e0 e alta trasmissione<\/em>, consentendo agli elettroni che raggiungono quel livello di venire emessi e quindi raggiungere l\u2019analizzatore, dove vengono collezionati dando luogo a un picco di alta intensit\u00e0 nei nostri spettri. Questo picco ad alta intensit\u00e0 \u00e8 stato osservato gi\u00e0 da molti colleghi in vari altri esperimenti da circa cinquant\u2019anni, ma il processo dietro all\u2019emissione di questi elettroni a bassa energia non era stato ancora completamente chiarito\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Per l\u2019esperimento avete usato la grafite: come mai? <\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abLa grafite \u00e8<\/em> un materiale con una struttura notoriamente molto particolare. Infatti essa \u00e8 s\u00ec un cristallo tridimensionale<\/em>, ma con una struttura lamellare, di fogli di grafene<\/strong><\/a><\/em> (quindi puramente bidimensionali) stratificati l\u2019uno sull\u2019altro fino a raggiungenge, appunto, la tridimensionalit\u00e0. Per questa sua composizione la grafite \u00e8 anche nota come layered material<\/em> (materiale a struttura lamellare), esponendo caratteristiche elettroniche ottiche e termiche diverse lungo la superficie e lungo l\u2019asse cristallino perpendicolare alla superficie<\/em>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

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Alessandra Bellissimo, ricercatrice alla Tu Wien e prima autrice dello studio sugli elettroni a 3.7 eV pubblicato su Physical Review Letters<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

\u00c8 fra questi strati che gli elettroni vengono \u201criflessi\u201d fino a che non ne attraversano uno? Come funziona?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abS\u00ec, ma la riflessione avanti e indietro fra gli strati di grafene avverrebbe sempre in maniera statica dando luogo a un\u2019onda stazionaria, senza possibilit\u00e0 di fuoriuscita, se solamente la prima delle due bande esistesse \u2013 quella con alta densit\u00e0, ma poca mobilit\u00e0. Come esempio tratto dalla vita di tutti i giorni, si potrebbe immaginare questa onda stazionaria come il salto alla corda<\/em> tanto amato dai bambini. Si immagini due bambini che mantengono ciascuno un lato della corda e la lasciano oscillare in maniera tale da permettere a una loro compagna di saltellare all\u2019interno. Finch\u00e9 i bambini tengono entrambi i lati della corda, essa assume una forma stabile e simmetrica (con ampiezza massima al centro) all\u2019interno della quale la loro amichetta appunto saltella. Con questa immagine nella nostra mente, si potrebbe paragonare l\u2019evento di rottura di simmetria \u2013 e quindi dell\u2019ibridizzazione con la banda ad alta dispersione \u2013 all\u2019evento in cui uno dei due bambini improvvisamente molla uno dei due lati della corda. Quello che osserveremo \u2013 a parte che la loro compagna smetter\u00e0 di saltellare, forse delusa o forse anche stanca \u2013 \u00e8 che l\u2019onda stazionaria svanisce propagandosi verso il lato della corda che \u00e8 stato mollato. \u00c8 a questo punto che l\u2019elettrone, che altrimenti continuerebbe a essere riflesso avanti e indietro tra gli strati (nel nostro immaginario, le mani dei bambini che mantenevano la corda), riesce a fuoriuscire e a venir raccolto dal nostro rivelatore\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Ricorda un po\u2019 l\u2019effetto tunnel. Non c\u2019entra nulla?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abBeh, molto alla larga\u2026 Il fenomeno di tunnelling<\/strong><\/a> avviene quando un elettrone riesce a superare una barriera di potenziale molto alta<\/em>, creata appunto dal vuoto (vacuum) tra il suo punto di origine e di arrivo. Nel nostro caso, non abbiamo una tale barriera di un potenziale cos\u00ec alta ma una barriera decisamente pi\u00f9 bassa, che per\u00f2 pu\u00f2 dare luogo al fenomeno di riflessione che si viene a creare tra gli strati<\/em>, fintanto che il trasporto dell\u2019elettrone al di fuori del solido non venga garantito dall\u2019intervento della rottura di simmetria\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Ed \u00e8 solo dalla grafite che gli elettroni possono uscire in questo modo, o anche da altre sostanze? <\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abAl momento abbiamo potuto osservare questo fenomeno solamente nella grafite. La sua origine \u00e8 in effetti dovuta all\u2019esistenza di queste due specifiche bande elettroniche che si vengono a creare quando tanti strati di grafene vengono sovrapposti l\u2019uno sull\u2019altro, quindi quando il materiale assume una vera e propria struttura cristallina estendendosi verso la terza dimensione. Esiste per\u00f2 tutta una classe di materiali \u2013 i cosidetti \u201cVan Der Waals materials<\/em><\/strong>\u201d \u2013 che al giorno d\u2019oggi sono di grande interesse per le loro propriet\u00e0 e caratteristiche molto simili a quelle della grafite. Quindi riteniamo che tale processo potrebbe avvenire anche in questi materiali. Penso al nitruro di boro<\/strong><\/a> (BN), per esempio, con una struttura reticolare praticamente identica. O ancora tanti altri materiali lamellari (i cosiddetti multi-layered<\/em> o sandwich materials<\/em>) e isolatori topologici creati e sfruttati in svariate applicazioni e tecnologie diverse per le loro propriet\u00e0 conduttive o isolanti. Proprio per approfondire e cercare di trovare una risposta alla questa domanda abbiamo intenzione di studiare il meccanismo di emissione di elettroni <\/em>anche da questi tipi di superfici, per capire se le nostre osservazioni si possano estendere a tutte queste tipologie di composti. Se cos\u00ec fosse, allora s\u00ec che avrebbe senso dare un nome proprio a questo tipo di elettroni emessi\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Materiale a parte, \u00e8 un fenomeno che avviene solo in laboratorio o anche in natura?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abBeh s\u00ec, mi azzarderei a dire che tale processo avviene sicuramente anche in natura, solo che in quel caso non ce ne accorgiamo, dato che non rileviamo questi elettroni nella nostra vita di tutti i giorni. Come dicevo prima, per poter osservare l\u2019emissione degli elettroni a 3.7 eV abbiamo irradiato il nostro campione con un fascio di elettroni primario<\/em>. Ma \u00e8 anche ben noto\u2013 per essere precisi, dal 1905, per merito di Einstein \u2013 che l\u2019emissione di elettroni da solidi pu\u00f2 essere anche provocata dall\u2019impatto di fotoni<\/em>, ovvero di luce, alla quale siamo constantemente sottoposti. I fotoni provenienti dal cosmo a varie energie \u2013 per dare un esempio preciso, i raggi ultravioletti<\/em> \u2013 hanno energia a sufficienza per indurre tale emissione di elettroni da una superficie di grafite, ma per l\u2019appunto, come dicevo prima, noi non ce ne accorgiamo nella vita di tutti i giorni\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

\u00c8 un risultato che potrebbe avere qualche applicazione pratica, questo vostro?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00abPensiamo di s\u00ec. Il nostro gut-feeling<\/em> ce lo suggerisce, anche se \u00e8 difficile poter identificare gi\u00e0 da ora tutte le sue potenzialit\u00e0. Una possible applicazione alla quale abbiamo gi\u00e0 discusso con il primo autore dello studio, il professor Wolfgang S.M. Werner<\/em>, sarebbe quella di sfruttare questo processo di emissione elettronica \u2013 dove gli elettroni hanno per l\u2019appunto un\u2019energia bassa e ben definita \u2013 per creare un nuovo tipo di sorgente di elettroni ad alta definizione con dimensioni ridotte<\/em>. Ad esempio, se l\u2019emittore diventa un nanotubo di carbonio<\/em>. Inoltre, se dai prossimi esperimenti dovesse risultare che questo meccanismo non \u00e8 solamente intrinseco alla grafite, ma anche visibile in altri materiali lamellari o topologicamente interessanti, allora s\u00ec che ci si potr\u00e0 sbizzarrire\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

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Per saperne di pi\u00f9:<\/strong><\/p>\n\n\n\n