Grafene, premio Nobel per la Fisica

Il Nobel di quest'anno va ai due scienziati di origine russa che per primi hanno isolato il "materiale delle meraviglie", il grafene. Una scoperta che secondo gli ottimisti cambierà per sempre i computer e la tecnologia tutta

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Roma - Correva l'anno 2004 quando Andre Geim e Constantin Novoselov, scienziati russi trapiantati nel Regno Unito, annunciarono al mondo la scoperta del grafene, composto monomolecolare a base di carbonio dallo spessore di un singolo atomo. Da allora il materiale non ha cessato di entusiasmare i ricercatori e oggi, dopo sei anni, Geim e Novoselov vengono insigniti del Premio Nobel per la Fisica per i loro "esperimenti rivoluzionari" sul nuovo materiale "bidimensionale".

Il cinquantunenne Geim dice di essere stato colto di sorpresa dall'assegnazione del Nobel, e sta provando a continuare il suo lavoro quotidiano come se nulla fosse. Di certo lo scienziato non nasconde le speranze (sue e della comunità scientifica nel complesso) che la tecnologia a base di grafene concretizzi tutte le "meravigliose" promesse sin qui alimentate dal nuovo materiale.

Il grafene è formato da "singoli strati di atomi di carbonio organizzati in una griglia a nido di api", spiega Geim su NewScientist, è dotato di una resistenza e di una durezza superiori a quelle del diamante ma nel contempo può essere "allungato" per un quarto della sua lunghezza. Uno strato di grafene è dotato dell'area di superficie più estesa in proporzione al suo peso, è impermeabile a gas e liquidi, conduce calore ed elettricità con un'efficienza maggiore di quella del rame.

01 - Meccanica quantistica.

La meccanica quantistica si basa essenzialmente sui seguenti principi :

        - 1 -    Principio di indeterminazione (Heinsenberg, 1927) : non si possono conoscere 
                   contemporaneamente posizione e velocità di un corpo con la precisione che si 
                   desidera. Vi è un limite naturale invalicabile a questa precisione indicato dalla 
                   costante di Planck (circa 10 alla -30).

                   Questo principio, dal contenuto "drammaticamente" negativo, afferma in altre parole
                   che all'uomo non è dato di "conoscere" la realtà fisica con la precisione che desidera. 
                   Vi è un limite invalicabile insito nella natura stessa delle cose.

                   In altre parole, il disturbo apportato ad un sistema dai processi di misura è qualcosa 
                   di non completamente eliminabile. 

                   Per chiarire questo concetto e dare al principio di indeterminazione una giustificazione 
                   concreta supponiamo di volere misurare la posizione di un elettrone. Per potere fare
                   ciò occorre "illuminarlo" con una raggio di luce. In questo modo si può misurare la sua 
                   posizione. 

                   Per potere misurare la posizione di un elettrone con una certa precisione occorre
                   illuminarlo con luce di lunghezza d'onda almeno dell'ordine delle dimensioni dell'elettrone
                   stesso e per avere una maggiore precisione occorre che la luce abbia una lunghezza
                   d'onda via via minore.

                   Se in un'onda diminuiamo la lunghezza d'onda abbiamo in corrispondenza un aumento
                   della sua frequenza :

                   

                   D'altra parte sappiamo che la luce è costituita da fotoni che non sono altro che 
                   particelle dotate di un'energia pari al prodotto di una costante (la costante di 
                   Planck !) per la frequenza stessa della luce :

                            E = h · ν   (dove  E  è l'energia,  h  è la costante di Planck e  ν  ("ni")  è la frequenza).

                   Illuminando un elettrone con luce di alta frequenza in pratica lo si bombarda con
                   particelle dotate di grande energia. Risultato :

                            nel misurare la posizione dell'elettrone lo disturbiamo a tal punto da imprimergli
                            una grande energia tale da farlo "sbalzare" con una velocità del tutto imprevedibile
                            e questo in misura maggiore aumentando la precisione desiderata :

                   

                   Il principio di indeterminazione può essere anche formulato affermando che i corpi
                   "microscopici" non compiono traiettorie continue per cui, in meccanica quantistica,
                   il concetto di traiettoria continua, che è alla base della meccanica classica, decade :
                   sul movimento dei corpi non si può fare nessuna affermazione deterministica. Al più
                   si può conoscere la probabilità di trovare (facendo una misura) una particella in un 
                   certo punto dello spazio.

                   La meccanica quantistica è quindi una teoria probabilistica in cui si può al massimo
                   determinare (in modo deterministico) la probabilità della posizione di una particella.

                   Né si deve pensare che le particelle seguono "nascostamente" la meccanica classica finché 
                   non vengono "disturbate" da una misura. Se fosse così, per esempio, l'atomo non potrebbe
                   esistere perché i suoi elettroni, ruotando attorno al nucleo e seguendo la meccanica 
                   classica, dovrebbero, per le leggi della meccanica classica stessa, perdere energia sotto 
                   forma di radiazione elettromagnetica e cadere così nel nucleo (cosa che naturalmente 
                   non accade !).

                   In meccanica quantistica si deve rinunciare definitivamente ad ogni nozione di moto
                   in termini di traiettoria continua !!! Al massimo si può pensare che la probabilità di
                   trovare una particella viaggia nello spazio. E' essa (la probabilità) che segue traiettorie
                   classiche !!! 

                   Nella meccanica quantistica le particelle sono probabilistiche mentre le probabilità 
                   sono deterministiche.

                   E' ovvio che con il principio di indeterminazione non è possibile costruire nessuna
                   fisica. Accanto a questo principio ve ne sono altri (riportati qui sotto) dal contenuto 
                   positivo con i quali è possibile costruire una teoria fisica.

        - 2 -    Principio di corrispondenza : la meccanica quantistica non può esistere senza
                   la meccanica classica. Siccome non si può affermare nulla circa il moto dei corpi
                   quantistici (microscopici), per misurarne le proprietà dinamiche (posizione, velocità, 
                   energia ecc.) li dobbiamo fare interagire con oggetti classici (macroscopici) che 
                   seguono la meccanica classica e di cui, quindi, sappiamo "tutto". Tramite le 
                   modificazione di questi oggetti classici (detti "strumenti di misura") siamo così in 
                   grado di avere informazioni sugli oggetti quantistici.

        - 3 -    Principio di sovrapposizione : un corpo (od un sistema di corpi) si può trovare
                   contemporaneamente in più stati. Un corpo può cioè, per esempio, avere 
                   diversi valori di energia. Solo attraverso il processo di misura si determina un
                   valore ben preciso. Più precisamente, un corpo potrebbe essere in uno stato
                   corrispondente all'energia  1  ed dall'energia  2  con una probabilità per ciascuno
                   dei due valori. Potrebbe essere all'energia  1  al  30 %  ed all'energia  2  al
                   70 % . Ciò significa che facendo molte misure, il corpo verrà trovato il  30 %
                   dei casi con energia  1  ed il  70 %  dei casi con energia  2 .

Questi principi sono in apparente antitesi con il "buon senso". La meccanica quantistica è allora
una grande dimostrazione di come il cosiddetto "buon senso" sia erroneo e fuorviante, perché 
prodotto dall'esperienza di vita in un ambiente di cui i nostri sensi ne avvertono solo alcuni aspetti.

La meccanica quantistica diventa la meccanica classica se si considera la costante di Planck nulla,
ovvero se si immagina di considerare grande a piacere la precisione con cui misurare posizione e 
velocità dei corpi.

Considerando che la costante di Planck è molto piccola, la meccanica classica vale molto bene per
un enorme quantità di fenomeni.

Solo quando ci spingiamo nell'infinitamente piccolo (nel mondo degli atomi e delle particelle) essa
non vale più ed è allora che diventa valida la meccanica quantistica.

Descriviamo qui brevemente due importanti effetti quantistici non spiegabili con le teorie classiche.

02 - Effetto fotoelettrico.

Fra '800 e '900, i fisici erano convinti di avere scoperto e capito tutto. La meccanica classica forniva
una descrizione molto precisa dei moti dei corpi qui sulla terra e su scala planetaria. La teoria di Maxwell 
spiegava una grande vastità di fenomeni elettromagnetici e la termodinamica descriveva con molta 
precisione i fenomeni relativi al calore.

Molti fisici allora pensavano che non vi fosse molto altro da scoprire e da capire.

Vi erano solo alcuni fenomeni, apparentemente di poco conto, che non si riusciva a spiegare con 
le teorie note. Fenomeni molto particolari ma poi rivelatisi tali da scardinare l'intero castello delle 
conoscenze.

Uno di quelli era l'effetto fotoelettrico la cui spiegazione fu data da Einstein nel 1905 e per la quale
successivamente ricevette il premio Nobel.

Per spiegare l'effetto fotoelettrico si dovettero introdurre concetti di meccanica quantistica, concetti
in netta antitesi con le teorie classiche. Fu così che nacque la grande rivoluzione scientifica avvenuta
all'inizio del '900 e che ha portato ad una nuova visione del mondo (che dovremo sicuramente ancora
modificare nel cercare di comprendere la materia/energia oscura).

L'effetto fotoelettrico consiste nella emissione di elettroni quando un metallo è colpito da radiazione 
elettromagnetica (diremo, per brevità, dalla luce). Si tratta di un effetto molto usato nella tecnologia, 
si pensi solo alle fotocellule.

       

La caratteristica fondamentale dell'effetto fotoelettrico è quella di avere una soglia di frequenza specifica 
per ogni metallo cioè, il fenomeno avviene solo se la frequenza della radiazione supera un certo valore
tipico di ogni metallo. Se la radiazione non possiede la frequenza giusta, non si ha emissione di elettroni. 

Come ben si sa, gli elettroni delle orbite più esterne dei metalli sono quasi liberi di muoversi a caso nel
reticolo del metallo stesso. Vi è una debole "differenza" di energia che li separa dall'esterno, e se per caso
assumessero tale energia, essi uscirebbero dal metallo. Questa energia che li costringe a stare dentro il
reticolo è tipica di ogni tipo di metallo. Ogni metallo ha al sua energia di estrazione (così è chiamata).

Il fenomeno dell'emissione fotoelettrica è quindi molto chiaro e apparentemente semplice da spiegare.
Vi è però il grosso problema che, dal punto di vista della teoria di Maxwell, un elettrone colpito dalla 
luce dovrebbe assumere energia con continuità fino ad essere in grado di superare la "barriera" ed uscire 
dal metallo. Ogni elettrone, colpito da luce di qualunque frequenza, prima o poi, appena raggiunta l'energia 
sufficiente, dovrebbe uscire dal metallo (secondo Maxwell).

L'evidenza sperimentale, invece, mostra, come abbiamo detto sopra, che luce di frequenza inferiore a quella 
di soglia, per quanto intensa e persistente nel tempo, non produce l'effetto.

Come si risolve la contraddizione fra realtà e teoria ? Ovviamente prendendo coscienza che la teoria è 
sbagliata e bisogna cambiarla. 

Per spiegare l'effetto fotoelettrico si devono introdurre i concetti della meccanica quantistica secondi quali
la luce è costituita da quanti, i fotoni,  particelle dotate di energia proporzionale alla frequenza della 
radiazione :

        E = h · ν 

dove  E  indica l'energia del fotone,  h  è una costante (la costante di Planck) e  ν  (ni) è la frequenza 
della radiazione.

Siccome un fotone cede ad un elettrone dentro il metallo la propria energia, essa sarà in funzione della 
frequenza per cui un elettrone supera la barriera ed esce dal metallo solo se la frequenza della luce 
corrisponde all'energia necessaria.

03 - Effetto Compton.

Colpendo un fascio di elettroni con della luce si ha che molti elettroni vengono deviati nella loro
traiettoria come se fossero stati urtati da particelle. Il fenomeno è spiegabile supponendo che la 
luce, come afferma la meccanica quantistica, sia formata da fotoni che si comportano negli urti 
come vere e proprie particelle.

       

Questo effetto non è descrivibile secondo la teoria di Maxwell.

ome interpretare la meccanica quantistica?

Sarebbe bello poter dire che la storia della meccanica quantistica non ha nulla a che fare con la nostra, e che non è necessaria per comprendere i segreti dell'Universo. Ma sfortunatamente non è così, perché la meccanica quantistica ha completamente cambiato la nostra comprensione delle leggi fisiche.

La meccanica quantistica ha a che fare con lo studio della fisica a livello atomico, il livello delle particelle che costituiscono i mattoni della materia. All'inizio di questo secolo l'impresa era di riuscire a capire il comportamento dell'elettrone: a volte, come la luce, esso si comportava come una particella, e a volte come un'onda.

Nel 1925 comparve una nuova teoria delle particelle subatomiche, battezzata meccanica quantistica. Essa rivoluzionò definitivamente la scienza.

La meccanica quantistica dice che le forze sono create dallo scambio di "pacchetti" discreti di energia, chiamati "quanta". Questi pacchetti (chiamati fotoni, nel caso della luce) vengono misurati in unità estremamente piccole. Il grande problema è che a volte le particelle si comportano come tali e a volte come onde. Così non sappiamo che cosa siano e non sappiamo come chiamarle; molti scienziati si riferiscono quindi alle particelle, in meccanica quantistica perlomeno, come "entità quantiche".

La teoria quantistica stabilisce che esse si comportano come particelle od onde, ma noi non siamo ancora riusciti a spiegare questo dualismo. Il fisico Erwin Schrödinger concepì un esperimento immaginario, chiamato il gatto di Schrödinger, solo per dimostrare quanto tutto questo sia stupido. Dategli un'occhiata.

La spiegazione più comunemente accettata del problema del gatto di Schrödinger è quella avanzata nella cosiddetta interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica: che il gatto non sia né vivo né morto finché non si apre la scatola. In modo similare, un'unità quantica non è una particella né un'onda finché non compiamo un'osservazione; allora la "funzione d'onda" cade e noi otteniamo l'una o l'altra.

Peggio, il principio di indeterminazine di Heisenberg pone stretti limiti a quanto possiamo capire del mondo intorno a noi. Il principio afferma che noi possiamo conoscere la velocità o la posizione di un'entità quantica, ma non entrambe.

Un'altra predizione della meccanica quantistica è che c'è una probabilità finita che le particelle possano scavare un tunnel, o fare un balzo quantico, attraverso barriere impenetrabili. In altre parole, se mettiamo una particella in un contenitore, e se questa particella non ha abbastanza energia per uscirne, c'è ancora una probabilità misurabile che la particella sfugga veramente dal contenitore. Questo è stato provato sperimentalmente innumerevoli volte. L'effetto è chiamato "traforo quantistico"; detto più semplicemente, vuol dire che le particelle possono fare strane cose!

La fisica quantistica non sostituisce la meccanica newtoniana: la comprende. La meccanica newtoniana rimane valida entro i propri limiti, ma noi sappiamo ora che non c'è un orologio che batte, che lo si guardi o meno.

Einstein trovava molto difficile accettare l'idea della meccanica quantistica; egli disse a Max Born "tu credi in un Dio che gioca a dadi, mentre io credo in un ordine completo".

Alcuni fisici stanno adesso cominciando a chiedersi se Einstein aveva ragione del tutto, e se manca qualcosa dalla meccanica quantistica convenzionale che potrebbe conciliare questi punti di vista così diversi. Ma queste non sono opinioni convenzionali e, francamente, non sappiamo proprio che dire.

L'importante esperimento che diede l'avvio a tutto ciò è quello famoso della doppia fessura.
Esperimento, effettuato la prima volta da Thomas Young nel 1803, che "dimostrò" che la luce è un' onda. Il medesimo esperimento è stato successivamente ripetuto utilizzando "fotoni" individuali di luce, come anche singoli elettroni. In questa forma l'esperimento evidenzia chiaramente il problema centrale che la meccanica quantistica tenta di risolvere: come le particelle possano anche avere un comportamento ondulatorio.

Il fisico David Bohm ha suggerito che durante questo esperimento la particella individuale, o entità quantica, emette antenne, od "onde pilota", per vedere quante fessure siano aperte.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

Nel 1927 Werner Heisenberg disse che una particella dà solo limitate informazioni su di sé. Si può determinare dove sia in ogni momento, ma se lo si fa non si può conoscere la sua velocità o la direzione del moto. Oppure si possono misurare velocità e direzione, ma allora non si può determinare il punto di partenza o quello di arrivo - e dunque dove essa sia. In altre parole, si può sapere solo l'una o l'altra delle cose. (Naturalmente il tutto può essere esposto più precisamente in termini matematici.) Heisenberg chiamò questo fatto principio di indeterminazione.

In termini filosofici questo era molto profondo. Si stava dicendo, in chiari termini matematici, che c'è un limite a quello che possiamo conoscere. Non possiamo sapere di più. Infatti la maggior parte del lavoro in meccanica quantistica, come risultato, è intorno alle probabilità. Così se spariamo degli elettroni attraverso una fessura ricavata da uno schermo, noi possiamo sapere esattamente quanti elettroni si spargeranno in ogni direzione particolare, ma non potremo predire accuratamente cosa farà un particolare elettrone. E questo non perché non abbiamo adeguati strumenti di misura, ma solo perché siamo vincolati ad una legge naturale.

Questo è profondamente scioccante. Il principio di indeterminazione è la parte più controversa della meccanica quantistica, tuttavia è quella che ha resistito a 70 anni di prove in laboratorio.

Funzioni d'onda o mondi paralleli?

L'interpretazione "ortodossa" della teoria quantistica è la cosiddetta interpretazione di Copenhagen. Si tratta di una spiegazione di meccanica quantistica che si suppone sia stata avanzata la prima volta a Copenhagen (anche se probabilmente non è vero).

La spiegazione più comunemente accettata del problema del gatto di Schrödinger, l'esperimento immaginario proposto da Erwin Schrödinger per dimostrare quanto sia stupida la meccanica quantistica, è quella avanzata nella cosiddetta interpretazione di Copenhagen di meccanica quantistica. Questa dice che il gatto non è né vivo né morto finché non si apre la scatola. In modo similare l'entità quantica non è né una particella né un'onda finché non si compie un'osservazione; allora la "funzione d'onda" crolla e noi abbiamo l'una o l'altra.

Questa interpretazione sfida il senso comune, ma è la più comunemente accettata. Però c'è un'altra interpretazione, la cosiddetta interpretazione Everett, o interpretazione dei mondi multipli. Questa interpretazione, proposta da Hugh Everett III nel 1957, dice che, nel caso del gatto di Schrödinger, per esempio, quando mettiamo il gatto nella scatola l'Universo si divide in due universi: uno contenente un gatto morto, e uno che ne contiene uno vivo.

Si può vedere che questo creerebbe ben presto un numero pressoché infinito di mondi paralleli.

Sarà vero? E chi lo sa!

La teoria della relatività ristretta è sbagliata?

La meccanica quantistica sembra incompatibile con le teorie della relatività di Einstein. Infatti le due teorie sono virtualmente una l'opposto dell'altra. La relatività è alla ricerca della semplicità, della chiarezza, della bellezza. La Meccanica Quantistica dice che questo è impossibile. L'Universo è un posto disordinato.

Per dare un esempio specifico: la relatività dice che nulla può superare la velocità della luce (questo nella teoria della relatività ristretta). Mentre nella meccanica quantistica la nostra teoria dice che in qualche modo l'informazione sta circolando più velocemente della luce. Vedere in proposito il famoso paradosso di Einstein, Podolsky e Rosen, che era un esperimento destinato a provare che nulla può viaggiare più velocemente della luce. In effetti esso parve provare l'opposto: l'informazione sembra circolare più velocemente della luce, e ancora nessuno capisce il perché.

In effetti, o la meccanica quantistica, o la relatività, o entrambe, sono sbagliate. Ma non sappiamo quale. Il problema è anche che ognuna delle due sembra corretta all'interno del proprio ambito. Ed entrambe ci hanno messo in grado di fare grandi progressi nelle scienze. È chiaro che c'è qualcosa che non va, ma a tutt'oggi non abbiamo idea di cosa.

 

Cosmologia quantistica

Alcuni scienziati, compreso Stephen Hawking, stanno lavorando a una scienza del tutto nuova denominata cosmologia quantistica, tentando di unire la meccanica quantistica alle nostre conoscenze attuali di cosmologia. L'idea deriva dalla possibilità di applicare al nostro Universo la meccanica quantistica: solo un Universo possibile in un numero infinito di Universi possibili.

Proprio come nella meccanica quantistica le particelle hanno funzioni d'onda, o insiemi di possibilità, così nelle teorie di Hawking noi abbiamo una funzione d'onda che descrive l'insieme di tutti gli universi possibili. Quindi il nostro punto di partenza potrebbe essere un insieme infinito di universi paralleli, di cui il nostro Universo è solo uno quando la "funzione d'onda" crolla (quando noi, o qualcosa, compie l'osservazione).

Cosaaa?

Quindi "universo" non è tutto ciò che esiste, ma è "tutto ciò che può esistere".

Alan Guth ha descritto un universo che va oltre i principi quantistici un "Universo del pranzo gratuito". (vedere sotto)

Vedere anche la "condizione di non confine". (sotto)

Universo del pranzo gratuito

L'idea che l'Universo possa essere comparso dal nulla e abbia complessivamente energia nulla. Ciò lo renderebbe, secondo l'espressione di Alan Guth, "il supremo pranzo gratuito".

Le ipotesi di base sono che l'Universo si trovi all'interno di un buco nero. Secondo la teoria quantistica, piccole bolle di energia possono crearsi dal nulla, posto che esse esistano solo per un breve momento e poi spariscano. Meno energia è coinvolta, più a lungo esse possono esistere.

Ora, supponiamo che l'energia gravitazionale sia negativa e l'energia racchiusa nella materia sia positiva. Se l'Universo è esattamente piatto è possibile che queste due addizionate fra loro diano zero energia. Nel qual caso le regole della teoria quantistica permetterebbero all'Universo di esistere per sempre.

Così, forse, l'Universo è una piccola bolla di energia (energia totale: zero) che è comparsa dal nulla. Il supremo pranzo gratuito.

Ma allora - se l'Universo è una fluttuazione quantica, come può fluttuare se non c'è nulla in cui fluttuare? E potevano esserci regole matematiche - le regole della meccanica quantistica - prima che l'Universo esistesse? Se le regole arrivarono con l'Universo, allora non potevano esserci prima per permettere all'Universo di essere creato!

Che mal di testa Eh?

Condizione di mancanza di confine

L'idea che l'Universo sia finito ma non abbia confine.

Questa idea venne introdotta da Stephen Hawking nel 1970 come mezzo per rimuovere la necessità di una singolarità nel modello del Big Bang. L'idea è che proprio come una mela è finita ma non ha confine, così, in termini di tempo, l'Universo potrebbe essere finito ma potrebbe anche non avere confine, né inizio. Cosicché non possiamo domandare "che successe prima del Big Bang?" perché non c'è "prima".

Ettore Majorana, nato il 5 agosto 1905 e laureatosi in fisica nel 1928, fu tra i più promettenti allievi di Enrico Fermi.
Il suo nome divenne un caso internazionale a causa della sua improvvisa scomparsa, che avvenne nel 1938. Della sua scomparsa ebbe a interessarsi persino Mussolini e l'evento divenne un enigma nazionale ad oggi oggi acnora insoluto.
Le ipotesi avanzate furono molte: chi disse che fosse morto suicida, chi avanzava l'ipotesi fantasiosa che fosse rapito da qualche Paese che conduceva studi atomici; altri invece ritennero che si fosse rifugiato in un convento o che fosse addirittura diventato, volontariamente, un mendicante. Naturalmente, anche dal punto di vista familiare fu una tragedia. La madre si rifiutò sempre di vestire abiti luttuosi, aspettando sempre il suo ritorno.

Proveniente dalla schiatta dei Majorana-Calatabiano, la sua era una famiglia illustre, discendente dal ramo cadetto dei Majorana della Nicchiara; con metafora poetica si potrebbe dire che a quest'ultima andarono il blasone gentilizio e le ricchezze terriere mentre alla prima tutti i beni tipici e preziosi dell'intelligenza.

Ettore è l'ultimo di cinque fratelli, che si distingueranno tutti in qualche campo particolare, chi nella giurisprudenza, chi nell'amministrazione dello Stato, chi ancora in fisica.

Ettore Majorana è senza dubbio l'outsider del gruppo, un vero e proprio genio della fisica. Estremamente precoce ma anche eccentrico e con squilibri caratteriali preoccupanti che giocheranno un ruolo determinante nella sua fuga dal mondo (ammesso che di fuga si sia trattato). Ettore è pervaso da misantropia radicata ed è anche perennemente ombroso, pigro e dal carattere spigoloso.

Anche la sua carriera universitaria non è del tutto lineare. Dopo un primo approccio con ingegneria, si laurea in fisica nel 1929 con una tesi sulla teoria quantistica dei nuclei radioattivi.

Sotto la guida di Enrico Fermi si occupa di spettroscopia atomica e successivamente di fisica nucleare.
Con Orso Mario Corbino, Emilio Segré e Edoardo Amaldi entra a far parte del gruppo dei "Ragazzi di via Panisperna", il gruppo di geni che ha fatto la storia della fisica italiana.

Le più importanti ricerche di Ettore Majorana riguardano una teoria sulle forze che assicurano stabilità al nucleo atomico: egli per primo avanzò l'ipotesi secondo la quale protoni e neutroni, unici componenti del nucleo atomico, interagiscono grazie a forze di scambio.
La teoria è tuttavia nota con il nome del fisico tedesco Werner Heisenberg che giunse autonomamente agli stessi risultati e li diede alle stampe prima di Majorana.

Nel campo delle particelle elementari Majorana formulò una teoria che ipotizzava l'esistenza di particelle dotate di spin arbitrario, individuate sperimentalmente solo molti anni più tardi.

Dal 1931, conosciutosi il suo straordinario valore di scienziato, è invitato a trasferirsi in Russia, a Cambridge, a Yale, nella Carnegie Foundation, ma a questi inviti oppone il suo rifiuto.

Dopo aver soggiornato a Lipsia e a Copenaghen, rientra a Roma, ma non frequenta più l'istituto di fisica. Al concorso nazionale per professore universitario di Fisica, bandito nel 1936, non vuole partecipare, nonostante la segnalazione fatta da Fermi a Mussolini. Si trasferisce da Roma a Napoli (albergo "Bologna") nel 1937, dove accetta la nomina per meriti speciali a titolare della cattedra di Fisica teorica all'Università di Napoli. Si chiude in casa e rifiuta persino la posta, scrivendo di suo pugno sulle buste: "Si respinge per morte del destinatario".

Ettore Majorana si lascia persuadere a intraprendere - è il mese di marzo 1938 - un viaggio di riposo, Napoli-Palermo. A Palermo alloggia all'albergo "Sole", ma vi trascorre solo mezza giornata; la sera viene visto sul ponte del piroscafo all'altezza di Capri ma a Napoli non arriverà mai.

La commissione di inchiesta che intraprende le indagini scarta l'ipotesi che Mjorana si sia lanciato in mare, avanzando invece la supposizione che si sia trasferito segretamente all'estero.

Ad uno dei suoi più stretti confidenti Ettore Majorana disse: "Non mi condannare perché non sai quanto soffro".