Un cristallo che non è un minerale affascina la scienza

Gli scienziati lo hanno prodotto in laboratorio e hanno scattato delle foto di questo meraviglioso cristallo. Unico nel suo genere e teorizzato già 90 anni fa.

Si chiama cristallo di Wigner ed è stato per molti anni nella mente degli scienziati che, finalmente, sono riusciti a crearlo.

Un cristallo mai visto prima

Stiamo parlando di un cristallo unico, mai visto prima, fatto interamente di elettroni. Gli scienziati sono riusciti a disporli in un reticolo a nido d’ape, grazie a un campo elettrico tra due strati sottilissimi di composti di tungsteno. Questo materiale, infatti, ha la capacità di gestire gli elettroni grazie alle sue piccole differenze nelle strutture atomiche. Un risultato eccezionale nel mondo della fisica!

La difficoltà iniziale stava nel fatto che nessuna telecamera sarebbe stata in grado di riprenderlo (difficile fotografare degli elettroni con macchine fotografiche normali n.d.r.). Per questo gli scienziati hanno dovuto sbizzarrirsi con la fantasia. Sono riusciti a ottenere la loro istantanea utilizzando un microscopio a effetto tunnel (STM), tramite una sonda capace di rilevare la posizione esatta degli elettroni. Di questi è stata osservata la loro risposta a una piccola scossa elettrica.

Rendere visibile il cristallo

Per rendere visibile la disposizione regolare degli elettroni, i ricercatori hanno usato una luce di una precisa frequenza per eccitare i cosiddetti eccitoni. Questi sono una coppia elettrone-lacuna che risultano da un elettrone mancante in un livello energetico del materiale. La precisa frequenza della luce per originare tali eccitoni e la velocità con cui si muovono, dipendono dalle proprietà del materiale e dall’interazione con altri elettroni nel materiale. La disposizione regolare degli elettroni nel cristallo può dare luogo ad un effetto ottico simile a quello a cui spesso abbiamo assistito osservando contenuti video.

Quando un mezzo a ruote procede sempre più velocemente accade che al di sopra di una determinata velocità le sue ruote appaiono ferme, per poi muoversi apparentemente in senso opposto. Questo è un effetto che scaturisce dalla differenza di frequenza tra il framerate di ripresa della videocamera e la rotazione dei raggi della ruota. Tornando al cristallo di Wigner: gli eccitoni in movimento appaiono stazionari anche se, in realtà, si muovano ad una precisa velocità, determinata dalla separazione degli elettroni nel reticolo cristallino.

Le teorie di Wigner

Nel 1934 il fisico Eugene Wigner teorizzò che gli elettroni in un materiale avrebbero avuto la possibilità di organizzarsi in schemi regolari e simili ai cristalli, per via della reciproca repulsione elettrica. Wigner pensò che nel momento in cui l’energia della repulsione elettrica è maggiore della loro energia di movimento, allora gli elettroni si possono disporre in maniera tale che la loro energia totale sia la più piccola possibile.

Quanto ipotizzato allora da Wigner è rimasto per decenni solamente nel dominio teorico, perché le condizioni per la formazione di questo tipo di cristalli erano estreme. Sarebbero state necessarie, infatti, temperature molto basse e elettroni liberi in misura molto ridotta nei materiali. Quest’ultimi sono migliaia di volte più leggeri degli atomi e la loro energia di movimento, in una disposizione regolare, è significativamente superiore rispetto all‘energia elettrostatica, per via dell’interazione tra gli elettroni stessi.