I fasci a vortice sono ben noti ai fisici: sono quelli dove il fronte d’onda, invece di propagarsi per piani paralleli come in un fascio di luce ordinario, forma una superficie “a cavatappi”. Questi fasci hanno un momento angolare orbitale, cioè un momento rotazionale attorno all’asse dell’elica: più piccolo è il passo l’elica, maggior è il momento. Da tempo in ottica il momento angolare della luce è utilizzato per generare movimento, ad esempio per imprimere una rotazione alle nanoparticelle.
«Adesso questo si fa con la luce – dice a ilsussidiario.net Vincenzo Grillo, del CnrNano e dell’Università di Modena e Reggio Emilia – ma da qualche tempo iniziamo a farlo anche con gli elettroni». L’idea è questa: «iniziamo col dire che gli elettroni, che spesso pensiamo come particelle, in realtà, come ci ha insegnato la meccanica quantistica, sono anch’essi delle onde e viaggiano come le onde del mare inseguendosi l’un l’altra. Quello che noi possiamo fare è far avvolgere queste onde in modo che assomiglino al filetto di una vite, di un cavatappi. Questa configurazione rappresenta uno stato particolare delle onde che viene denominato vortice: un po’come quelli che si formano a volte nei corsi d’acqua e si mantengono tali, come configurazioni stabili, anche in mezzo al flusso che scorre. Per gli elettroni nel vuoto ciò assume un significato particolare: si tratta infatti un oggetto che ruota anche se non c’è nulla attorno al quale ruotare».
Sfruttando gli elettroni, sono stati prodotti di recente fasci di elettroni con momento angolare orbitale; ma finora è stato difficile ottenere con gli elettroni alti valori del momento angolare. Recentemente il gruppo di Grillo, con Gian Carlo Gazzadi e Stefano Frabboni, in collaborazione con Ebrahim Karimi e Robert Boyd dell’Università di Ottawa (Canada), hanno creato intensi fasci di elettroni “elicoidali” con elevato momento angolare. Per produrli, come spiegano nell’articolo su Physical Review Letters, hanno usato complicati reticoli di diffrazione: «A differenza dei reticoli di diffrazione standard abbiamo usato reticoli che presentano fessure leggermente spostate nel piano tra una regione e la vicina; questi piccoli spostamenti influenzano la sincronizzazione della luce uscente dalle diverse regioni. Ogni regione isolata produrrebbe fronti d’onda piani, ma la loro combinazione dà luogo a un fascio con momento angolare orbitale. Per ottenere però un alto momento angolare orbitale senza ridurre l’intensità del fascio, abbiamo poi costruito un reticolo ancora più elaborato, in cui le sezioni trasversali delle fenditure hanno un profilo sinusoidale».
Questi reticoli per gli elettroni sono l’equivalente di quello che in ottica sono gli ologrammi, cioè qualcosa in cui sono contenute tutte le informazioni sull’onda compresa la fase: «noi infatti abbiamo mischiato la fase per ottenere l’effetto elicoidale. Così siamo stati in grado di generare i vortici col più elevato momento angolare orbitale, cioè che ruotano più di quanto si sia riusciti a fare finora; è impressionante che sia un elettrone a ruotare così velocemente: è uno stato quantistico che assume valore sempre crescente».
L’idea di Grillo adesso è di vedere quanto grande può diventare il momento angolare orbitale. Qui naturalmente gioca il fatto che abbiamo a che fare con fenomeni quantistici: «nei normali oggetti che vediamo ruotare, è sempre chiaro dove è l’oggetto e a quale velocità si muove; gli elettroni invece, essendo oggetti quantistici, sono dappertutto attorno al centro di rotazione e se voglio fissarne la velocità angolare non posso determinarne esattamente la posizione angolare. è un’altra manifestazione del principio di indeterminazione».
In questo tipo di ricerche, che si stanno sviluppando da poco a livello mondiale, il CnrNano, l’Istituto di Nanoscienze del Cnr dove operano Grillo e colleghi, è in una posizione di primo piano: ora si sta lavorando per mettere a punto nuovi metodi per mappare la magnetizzazione alla nanoscala dei materiali: «Un microscopio elettronico è già in grado di farlo ma solo in certe circostanze; con questi nostri studi dovremmo riuscire a trovare nuovi metodi per misurare i campi magnetici e anche le proprietà di nanoparticelle paramagnetiche utilizzabili, ad esempio, in oncologia; saranno misure, tra l’altro, con un effetto di amplificazione dovuto al fatto che l’elevata rotazione provoca un momento magnetico 200 volte più elevato di quello normale». Questo quindi potrebbe essere il primo risultato applicativo e il team di fisici italiani pensa di poter arrivare a una pubblicazione specifica nei prossimi mesi.
Un altro sviluppo di cui ci parla Grillo, è più a livello teorico. Quando un elettrone passa attraverso un materiale, già si ha una radiazione elettromagnetica; se poi l’elettrone passa ad altissima velocità si ha un produzione più intensa di luce in modo equivalente a quando un aereo supera la barriera del suono: si ha l’equivalente ottico del “boato sonico”; «in più c’è il fatto che, essendoci la rotazione, c’è un ulteriore contributo all’emissione: è come se avessimo un minuscolo sincrotrone che passa dentro il materiale emettendo la ben nota radiazione». Ma qui siamo ancora a livello speculativo, e c’è ancora molto da studiare.
