Quando la ciambella diventa una mela

Anastasia Varlet è una dottoranda del gruppo di ricerca del professor Klaus Ensslin all'ETH presso il Laboratorio di fisica dello stato solido. ? riuscita a pubblicare due articoli di ricerca in successione sulla rinomata rivista americana "Physical Review Letters". Entrambi gli articoli si basano su misurazioni dello stesso componente elettronico, una costruzione a sandwich con grafene - un materiale fatto di carbonio che forma uno strato a forma di nido d'ape con uno spessore di un solo atomo. Il grafene monostrato è estremamente stabile, elastico e conduttivo. Il "materiale miracoloso" diventa particolarmente interessante per le applicazioni elettroniche quando due strati vengono sovrapposti. Il grafene a doppio strato diventa un semiconduttore che può essere utilizzato per costruire interruttori elettronici.

La qualità del componente di Varlet fatto di grafene a doppio strato era così buona che la ricercatrice ha ottenuto un risultato del tutto inaspettato nelle sue misurazioni. "Siamo riusciti a rilevare la cosiddetta giunzione di Lifshitz", spiega la ricercatrice. Per spiegare di cosa si tratta, la fisica fa riferimento a una tazza da caffè e a un bicchiere d'acqua. La tazza ha un manico con un foro. ? quindi possibile deformare un oggetto geometricamente definito a forma di tazza in una ciambella utilizzando funzioni matematiche. Anche questa ha un foro. Un bicchiere, invece, non può essere deformato in una ciambella a causa della mancanza di un foro. Dal punto di vista matematico, una tazza ha la stessa topologia di una ciambella. "Un bicchiere, invece, è topologicamente uguale a una mela", spiega Ensslin.

Se si modifica la topologia di un oggetto, è possibile migliorarne l'utilità, ad esempio trasformando una tazza in un bicchiere con manico. In realtà questo non è possibile. Tuttavia, i ricercatori del Fare all'ETH sono riusciti a fare proprio questo con l'aiuto del grafene a doppio strato. Una transizione Lifshitz è un passaggio da una topologia a un'altra. Prende il nome da un fisico russo che ha previsto questa possibilità nel 1960. Tuttavia, non si tratta di oggetti presenti nel nostro ambiente normale. La fisica sta invece studiando una topologia più astratta delle superfici dei materiali elettronici, utilizzate per descrivere gli stati energetici degli elettroni. In particolare, i ricercatori stanno esaminando le superfici a energia costante, che determinano la conduttività del materiale e quindi il suo potenziale applicativo.

Tre isole nel lago

Per visualizzare il concetto matematico di queste superfici energetiche, Ensslin ricorre ancora una volta a un paragone: "Si può immaginare un paesaggio collinare in cui le valli si riempiono di cariche elettriche, come quando l'acqua sale tra le colline quando piove", trasformando un isolante iniziale in un materiale conduttore. Quando smette di piovere, l'acqua ha formato un lago da cui spuntano singole montagne come isole. Questo è esattamente ciò che la dottoranda Varlet ha osservato durante l'esperimento con il grafene a doppio strato: Quando il livello dell'acqua è basso, ci sono tre laghi indipendenti ma equivalenti. Quando il livello dell'acqua aumenta, i tre laghi si uniscono per formare un unico grande oceano. "La topologia è cambiata completamente", conclude Varlet. Come se la ciambella fosse diventata una mela.