Laughlin, Robert Betts
Laughlin, Robert Betts
Fisico statunitense, nato a Visalia (California) il 1° novembre 1950. Laureatosi presso la University of California di Berkeley, ha successivamente conseguito il Ph.D. in fisica presso il Massachusetts Institute of Technology nel 1979. Ha lavorato presso i Bell Laboratories, in New Jersey (1979-81), e in California (1981-82), presso il Lawrence Livermore National Laboratory; dal 1989 è professore di fisica alla Stanford University. Ha ricevuto vari premi, tra cui l'Oliver Buckley Prize nel 1986 e, nel 1998, il premio Nobel per la fisica, congiuntamente a H.L. Störmer e a D. Tsui, per le sue ricerche sull'effetto Hall quantistico frazionario. In particolare, la motivazione ufficiale del premio a L. fa riferimento alla sua interpretazione teorica del fenomeno, che introduce uno stato quantico innovativo per gas di elettroni altamente correlati in un sistema bidimensionale e sottoposti a un intenso campo magnetico. Quella di L. costituisce una nuova promettente chiave di interpretazione dei fenomeni quantistici, a partire dal valore frazionario della carica dell'elettrone.
Nell'effetto Hall classico, in condizioni ordinarie, la resistività elettrica trasversa, derivabile dal rapporto tra il potenziale indotto e la corrente circolante, tende ad aumentare con il crescere del campo magnetico applicato (magnetoresistenza). A temperature estremamente più basse, dell'ordine di pochi K, in presenza di campi magnetici di intensità dell'ordine delle decine di tesla, e utilizzando un conduttore nella forma di una lamina estremamente sottile, K. von Klitzing nel 1980 osservò un nuovo fenomeno denominato effetto Hall quantistico, ottenendo nel 1985 il premio Nobel per la fisica. Questo fenomeno consiste nel fatto che la resistività trasversa subisce incrementi discreti, ovvero quantizzati, legati mediante una successione di numeri interi al rapporto tra la costante di Planck h e il quadrato della carica elettronica e. Parallelamente a ciò, si osserva un valore praticamente nullo della resistività longitudinale negli intervalli di campo magnetico lontani dai valori discreti suddetti. Oltre che l'evidenza su scala macroscopica di un fenomeno quantistico, un'altra interessante particolarità è l'assoluta precisione della misura dei valori quantizzati, che consente di realizzare un ottimo campione di riferimento, ripetibile e insensibile alle imperfezioni geometriche, per la misura della resistenza. Tale effetto permette inoltre la misura della costante di struttura fine con una precisione dieci volte superiore a quella ottenibile con le precedenti metodologie. Tuttavia, pochi anni dopo la scoperta dell'effetto Hall quantistico, Störmer e Tsui, all'epoca in servizio presso i Bell Laboratories in New Jersey, utilizzando dei campioni puri a base di arseniuro di gallio (GaAs), sottoposti a campi magnetici ancora più elevati e a temperature dell'ordine del K, osservarono nuovi valori discreti nell'andamento della resistività trasversale, che non erano più coerenti con la serie naturale di crescita proposta da Klitzing. Tale effetto è stato definito come effetto Hall quantistico frazionario. All'epoca di questa scoperta, non si riusciva a prevedere alcuna ragione per tale dipendenza frazionaria e fu merito di L. l'avere introdotto una teoria, totalmente innovativa, in grado di giustificare i dati sperimentali. Secondo la sua teoria, il gas di elettroni in moto bidimensionale subisce una condensazione sviluppando un fluido quantico. Una delle particolarità dei fluidi quantici è la superfluidità, che giustifica la scomparsa della resistività longitudinale. La proprietà peculiare del fluido quantico proposto da L. risiede nel fatto che, quando elettroni vengono aggiunti al fluido, si vengono a creare delle 'quasi-particelle' di carica frazionaria rispetto alla carica dell'elettrone.