Sviluppi Attualità

In anni recenti, favoriti dallo sviluppo delle tecnologie di micro- e nano-lavorazione dei materiali, sono stati concepiti e realizzati esperimenti di interferenza con elettroni che si avvicinano in modo ancora più stringente alle condizioni "ideali" dell'esperimento mentale di interferenza di elettroni singoli, così come descritto da Feynman negli anni '60. Gli sviluppi principali sono avvenuti principalmente per due aspetti:

1) la possibilità di usare tecniche di nano-lavorazione per realizzare fenditure reali con dimensioni e spaziature molto più piccole di quanto non fosse possibile fare fino a qualche anno fa

2) l'utilizzo di rivelatori in grado di individuare, localizzare con precisione e registrare nel tempo, gli eventi di arrivo di elettroni singoli. Tali rivelatori consentono anche di provare in modo inequivocabile il fatto che nella colonna del microscopio transita effettivamente un elettrone alla volta, condizione richiesta dall'esperimento ideale.

All'interno di questa sezione vengono descritti alcuni recenti esperimenti di interferenza di elettroni singoli realizzati con l'ausilio di queste nuove tecnologie.

	A sinistra: dispositivo rivelatore di elettroni singoli realizzato dai laboratori dell'INFN di Bologna. A destra: la formazione di frange di interferenza per accumulo di singoli elettroni osservata in un recente esperimento di interferenza realizzato in una collaborazione del Dipartimento di Fisica dell'Università di Bologna e dalla sezione INFN di Bologna (vedi una versione più dettagliata del filmato in fondo a questa pagina).

Dopo aver introdotto il microscopio elettronico in trasmissione e gli esperimenti di diffrazione in grado di dimostrare il comportamento ondulatorio degli elettroni (vedi clip nella sezione didattica), Giorgio Matteucci assieme a Filippo Giorgi (INFN - Bologna) ci racconta di una versione recentissima dell'esperimento più bello, realizzata nel 2011 in una collaborazione tra il Dipartimento di Fisica dell'Università di Bologna, il CNR-S3 di Modena e la sezione bolognese dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

In questo esperimento è stata realizzata per la prima volta l'interferenza di elettroni singoli utilizzando al posto del biprisma elettronico due fenditure alla maniera di Young. Le fenditure di dimensioni nanometriche sono state realizzate utilizzando la tecnologia del fascio ionico focalizzato (FIB: Focused Ion Beam) presso il laboratorio CNR-S3 di Modena, mentre il dispositivo per rivelare gli elettroni singoli è stato sviluppato da INFN di Bologna per esperimenti di fisica nucleare al CERN.

Per le sue caratteristiche l'esperimento qui descritto è quello che fino ad oggi si avvicina maggiormente alla configurazione e allo spirito dell'esperimento mentale di Einstein-Feynman.

All'esperimento hanno partecipato: Giorgio Matteucci, Giulio Pozzi (Università di Bologna) Stefano Frabboni, Giancarlo Gazzadi (Università di Modena e Reggio Emilia - CNR S3), Alessandro Gabrielli, Filippo Giorgi, Nicola Semprini Cesari, Mauro Villa, Antonio Zoccoli (Istituto nazionale di Fisica Nucleare - INFN - di Bologna), Pietro Marcati, Michele Pezzi (laureandi UniBO), Gianluigi Alberghi (dottorando UniBO), Gabriele Balbi, Mauro Lolli (tecnici INFN - BO), Raffaele Berti (tecnico UniBO).

Filmato della formazione delle frange di interferenza. Nella prima parte, girata in tempo reale, si vedono comparire brevi lampi di luce in corrispondenza dei pixel dove arrivano i singoli elettroni. La seconda parte mostra lo stesso effetto visto con una velocità di ripresa accelerata. Nella parte finale, infine, girata anch'essa con velocità accelerata, il lampo di ciascun elettrone viene conservato nella memoria video e si può osservare l'effetto di accumulo degli eventi. La luminosità finale di ogni pixel è proporzionale al numero totale di elettroni che ci sono arrivati sopra (filmato messo a disposizione da Giulio Pozzi).