Un ottimo modo per misurare la costante di struttura fine

La sorgente luminosa (a sinistra) invia un raggio di luce attraverso un materiale speciale, che cambia la direzione della polarizzazione – ad un angolo ottenuto dalla costante di struttura fine. Credito: Tatiana Lysenko/TU Wien

La costante di struttura fine è una costante fondamentale della natura e la sua misurazione è cruciale in fisica. Recentemente, i ricercatori della TU Wien hanno scoperto un modo unico per misurarlo.

Il valore di uno su 137, noto anche come costante di struttura fine, è un numero importante in fisica. Svolge un ruolo importante nella fisica degli atomi e delle particelle.

Mentre la costante di struttura fine viene tradizionalmente misurata indirettamente attraverso calcoli e misurazioni di altre grandezze fisiche, secondo i ricercatori. TU Vienna Hanno sviluppato un esperimento che consente la misurazione diretta della costante di struttura fine sotto forma di angolo.

1/137 – Il codice segreto dell’universo

La costante di struttura fine descrive la forza dell’interazione elettromagnetica. Si riferisce a come le particelle fortemente cariche come gli elettroni interagiscono con i campi elettromagnetici. Se la costante di struttura fine avesse un valore diverso, il nostro universo sembrerebbe completamente diverso: gli atomi avrebbero dimensioni diverse, quindi tutta la chimica funzionerebbe in modo diverso e anche la fusione nucleare nelle stelle sarebbe molto diversa.

Una questione molto discussa è se la costante di struttura fine sia davvero costante o se possa cambiare leggermente il suo valore nel corso di miliardi di anni.

Misurazioni dirette piuttosto che calcoli

“Le costanti fisiche più importanti hanno un’unità specifica, ad esempio la velocità della luce, che può essere espressa in metri al secondo”, afferma il professor Andrei Pimenov dell’Istituto di fisica dello stato solido presso la TU Wien. “È diverso con la costante della struttura fine. Non ha un’unità, è solo un numero, senza dimensioni”.

Ma di solito, quando si misura la struttura fine, si devono misurare diverse quantità in diverse unità fisiche, e quindi il valore della costante di struttura fine viene dedotto da questi risultati. “Nella nostra esperienza, d’altra parte, la stessa costante di struttura fine diventa direttamente visibile”, afferma Andrei Pimenov.

Una pellicola sottile che fa circolare la luce

Il raggio laser è polarizzato linearmente: la luce oscilla esattamente nella direzione verticale. Quindi il raggio colpisce uno strato di un materiale speciale spesso solo pochi nanometri. Questa sostanza ha la proprietà di cambiare la direzione della polarizzazione della luce.

“Il materiale che circonda la polarizzazione di un raggio laser non è di per sé qualcosa di insolito. Diversi materiali possono farlo; più spesso è lo strato di materiale, maggiore è la polarizzazione del laser. Ma qui abbiamo a che fare con un effetto completamente diverso”, spiega Andrej Pimenov. “Nel nostro caso, la polarizzazione non ruota continuamente, ma salta”.

Quando passa attraverso il film sottile, la direzione di polarizzazione della luce provoca un salto quantico. Dopo averlo attraversato, l’onda luminosa oscilla in una direzione diversa rispetto a prima. E quando viene calcolata l’entità di questo salto, emerge un risultato sorprendente: l’entità di questo cambiamento angolare è esattamente la costante di struttura fine.

“Quindi abbiamo accesso diretto a qualcosa di davvero straordinario: la quantità di spin”, afferma Andrei Pimenov. “La costante della struttura fine diventa immediatamente visibile come un angolo.”

Riferimento: “Global Spin Scale by Quantum Anomalous Hall Effect” di Alexei Shuvaev, Li Pan, Lixuan Tai, Peng Zhang, Kang L. Wang e Andrei Pimenov, 7 novembre 2022, disponibile qui. Lettere di fisica applicata.
doi: 10.1063/5.0105159

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