Una sorgente luminosa (a sinistra) invia un raggio di luce attraverso un materiale speciale, che cambia la direzione della polarizzazione di un angolo pari alla costante di struttura fine. Crediti: Tatiana Lysenko / Tu Wien
Uno su 137 è uno dei numeri più importanti della fisica. Si tratta del valore (approssimato) della cosiddetta costante di struttura fine, una quantità di eccezionale rilevanza nella fisica atomica e delle particelle.
Esistono molti modi per misurarla. Di solito lo si fa indirettamente, misurando altre grandezze fisiche e utilizzandole per calcolarla. Recentemente però, alla Technischen Universität Wien (Tu Wien, l’Università tecnica di Vienna) è stato eseguito un esperimento in cui la costante di struttura fine è stata misurata direttamente, come un angolo.
La costante di struttura fine descrive la forza dell’interazione elettromagnetica. In particolare, rappresenta la forza dell’interazione elettromagnetica fra la luce e le particelle elementari cariche, come gli elettroni. Se la costante di struttura fine avesse un valore diverso, l’universo apparirebbe completamente diverso: gli atomi avrebbero dimensioni diverse, tutta la chimica funzionerebbe in modo diverso, e anche la fusione nucleare nelle stelle sarebbe completamente diversa.
Una questione molto discussa è se la costante di struttura fine sia effettivamente costante o se possa aver cambiato il suo valore in poco più di miliardi di anni. «Le costanti fisiche più importanti hanno un’unità specifica, ad esempio la velocità della luce può essere espressa in metri al secondo», spiega Andrei Pimenov dell’Istituto di fisica dello stato solido presso la Tu Wien. «Con la costante di struttura fine è diverso. Non ha unità, è semplicemente un numero – è adimensionale».
Nell’esperimento, un raggio laser polarizzato linearmente – ossia il cui campo elettrico (e magnetico) oscilla esattamente su un piano – colpisce uno strato di un materiale particolare, spesso solo pochi nanometri, che ha la proprietà di cambiare la direzione di polarizzazione della luce. «Un materiale che ruota la polarizzazione di un raggio laser non è, di per sé, niente di insolito. Diversi materiali possono farlo; più spesso è lo strato di materiale, più la polarizzazione del laser viene ruotata. Qui però abbiamo a che fare con un effetto completamente diverso», spiega Pimenov. «Nel nostro caso, la polarizzazione non viene ruotata in maniera continua bensì a salti».
Quando passa attraverso il sottile film, la direzione di polarizzazione della luce fa un salto quantico. Dopo essere passata, l’onda luminosa oscilla in un piano diverso rispetto a prima. E quando viene calcolata l’entità di questo salto, appare un risultato sorprendente: il “quanto” di questo cambiamento angolare è esattamente la costante di struttura fine.
Per saperne di più:
- Leggi su Applied Physics Letters l’articolo “Universal rotation gauge via quantum anomalous Hall effect” di Alexey Shuvaev, Lei Pan, Lixuan Tai, Peng Zhang, Kang L. Wang, and Andrei Pimenov