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Quegli strani elettroni surgelati IL NOBEL PER LA FISICA 1998 Quegli strani elettroni surgelati In certe condizioni la loro carica diventa frazionaria LW Accademia Reale di Svezia ha conferito il premio Nobel per la fisica del 1998 a Daniel Tsui della Princeton University e Horst Stòrmer della Columbia University per la scoperta dell'effetto Hall quantistico frazionario e a Robert Laughlin della Standford University per l'interpretazione teorica del fenomeno. La cerimonia di premiazione si svolge domani a Stoccolma. Come si legge nella motivazione, è stata premiata la scoperta di un nuovo stato quantistico della materia che si realizza quando un. sistema di elettroni fortemente interagenti viene raffreddato a basse temperature e immerso in forti campi magnetici. Per spiegare questo fenomeno, cominciamo con il descrivere l'effetto Hall classico, dal nome del fisico americano Hall che lo scoprì nel 1879. Consideriamo un nastro conduttore lungo e sottile, percorso da una corrente elettrica che possiamo visualizzare come un insieme di particelle cariche (per esempio elettroni) che scivolano lungo il nastro. Se immergiamo questo sistema in un campo magnetico perpendicolare al nastro, gli elettroni vengono sottoposti a una forza che tende a farli deviare verso uno dei bordi. L'effetto di questo movimento è la comparsa di una tensione elettrica trasversale (cioè fra i due bordi del nastro) a cui è collegata una resistenza di Hall che risulta direttamente proporzionale all'intensità del campo magnetico che l'ha prodotta. Questo fenomeno ha avuto notevoli applicazioni pratiche e in particolare è stato sfruttato per costruire sonde in grado di misurare campi magnetici attraverso semplici misure di tensione elettrica. Nel 1980, poco più di un secolo dopo la scoperta di Hall, il fisico tedesco von Klitzing trovò che a bassissime temperature (272 gradi sotto zero) e in presenza di fortissimi campi magnetici (circa duecentomila volte più intensi del campo magnetico terrestre) la resistenza di Hall ha un comportamento radicalmente diverso da quello classico. In queste condizioni estreme, infatti, essa non varia con continuità proporzionalmente al campo magnetico applicato, ma al contrario risulta quantizzata, cioè al variare del campo magnetico essa assume soltanto un insieme discreto di valori. Questo andamento, verificato in un'ampia varietà di materiali diversi con una precisione di una parte su cento milioni, può essere formalizzato dicendo che l'inverso della resistenza di Hall è un multiplo intero di una determinata combinazione di costanti universali. Pur essendoci state negli Anni 70 alcune avvisaglie di una deviazione dal comportamento classico della resistenza di Hall, nessuno in realtà si aspettava una regola di quantizzazione così semplice e soprattut- to un'accuratezza così elevata. Spiegare questo fenomeno fu dunque una sfida per i fisici teorici, subito raccolta da Laughlin, che nel 1981 propose una brillante interpretazione dei dati sperimentali basata sulle proprietà quantistiche universali che i singoli elettroni hanno quando sono costretti a muoversi su una superficie in presenza di un campo magnetico ad essa perpendicolare. In queste condizioni, come previsto da Landau nel 1930, gli ettroni sono vincolati a percorre solo particolari orbite circolari le cui dimensioni sono determinate dal campo magnetico; il numero delle orbite completa¬ mente riempite è proprio il numero quantico intero trovato da von Klitzing, che per questa scoperta ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1985. L'effetto Hall quantistico è quindi una diretta e inequivocabile manifestazione della meccanica quantistica su scala macroscopica e per la sua straordinaria precisione, da alcuni anni viene usato come base per costruire le resistenze campione in numerosi Paesi. Ma i sistemi di elettroni vincolati a muoversi su una superficie avevano in serbo un'altra sorpresa. Nel 1982 infatti, Tsui, Stòrmer e Gossard studiando un semiconduttore di alta qualità a base di arseniuro di gallio, scoprirono che l'inverso della resistenza di Hall era quantizzato in multipli frazionari della costante universale scoperta da von Klitzing. Per questo si cominciò a parlare di effetto Hall quantistico frazionario. La prima frazione trovata fu 1/3, ma oggi esiste tutta una gerarchia di frazioni che sono state osservate in diversi materiali con una precisione di alcune parti su centomila. Mentre dal punto di vista sperimentale l'effetto Hall frazionario è molto simile a quello intero, dal punto di vista teorico la comparsa di numeri quantici frazionari del tipo di quelli osservati ha rappresentato un serio problema. Ancora una volta fu Laughlin a fornire una interpretazione del fenomeno. Secondo la sua teoria le bassissime temperature e i forti campi magnetici costringono il sistema di elettroni a condensare e formare un fluido quantistico di tipo complementare diverso da quelli prima conosciuti. Questo fluido ha molte proprietà speciali, ma forse la più spettacolare è la seguente: se uno aggiunge al sistema un elettrone, tutto il fluido ne risente e si creano dei movimenti collettivi che si comportano come particelle la cui carica elettrica è una frazione (per esempio 1/3) di quella dell'elettrone. E' difficile dire oggi quali possano essere sviluppi e applicazioni dell'effetto Hall quantistico frazionario, ma certamente esso è uno dei fenomeni fisici più interessanti e affascinanti perché può fornire nuovi spunti per capire meglio le proprietà fondamentali della materia. Fa piacere constatare che questi temi sono stati e sono tuttora oggetto di ricerca anche presso le università piemontesi. L'interesse per l'aspetto teorico ha avuto il suo impulso iniziale da Sergio Fubini del Dipartimento di fisica teorica dell'Università di Torino, di cui Laughlin è stato più volte ospite, mentre dal punto di vista sperimentale le ricerche vengono condotte principalmente da Giuseppina Rìnaudo in collaborazione con l'ingegner Manilio dell'Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris. Alberto Lorda Università del Piemonte Orientale Un inedito stato della materia che ha posto ai teorici ardui problemi di interpretazione Una storia iniziata nel 1879 con la scoperta dell'effetto Hall «classico» Nel 1980 Klitzing si accorse che a -272 gradi si manifestava un nuovo fenomeno Domani in Svezia verrà premiata una lunga ricerca I contatti con la Scuola di Torino I 1 ■ Il fisico Horst Stòrmer: domani riceverà il Nobel insieme con Daniel Tsui e Robert Laughlin