Un cristallo di elettroni

I cristalli hanno sempre affascinato le persone. Chi non ha mai ammirato i complessi disegni di un fiocco di neve o le superfici perfettamente simmetriche di un cristallo di rocca? La magia non finisce quando ci si rende conto che tutto questo è il risultato di un semplice gioco di attrazione e repulsione tra atomi ed elettroni. I ricercatori guidati da Ata? Imamo?lu, professore presso l'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo, hanno ora prodotto un cristallo molto speciale. A differenza dei normali cristalli, è costituito esclusivamente da elettroni. Hanno così confermato una previsione teorica fatta quasi novant'anni fa e da allora considerata una sorta di Santo Graal della fisica dello stato solido. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista pagina esterna"Natura" pubblicato.

Previsione vecchia di decenni

"Ciò che ci ha attratto in questo problema è la sua semplicità", afferma Imamo?lu. Già nel 1934 Eugene Wigner, uno dei cofondatori della teoria delle simmetrie nella meccanica quantistica, dimostrò che gli elettroni di un materiale possono teoricamente disporsi in schemi regolari a forma di cristallo grazie alla loro reciproca repulsione elettrica in determinate condizioni. Il ragionamento è molto semplice: se l'energia di repulsione elettrica tra gli elettroni è maggiore della loro energia cinetica, essi si disporranno in modo tale che la loro energia totale sia la più bassa possibile.

Per diversi decenni, tuttavia, questa previsione è rimasta pura teoria, poiché tali "cristalli di Wigner" possono formarsi solo in condizioni estreme, come basse temperature e un numero molto piccolo di elettroni liberi nel materiale. Uno dei motivi è che gli elettroni sono molte migliaia di volte più leggeri degli atomi e quindi la loro energia cinetica in una disposizione regolare è normalmente molto maggiore dell'energia elettrostatica dovuta all'interazione tra gli elettroni.

Elettroni in un piano

Per superare questi ostacoli, Imamo?lu e i suoi collaboratori hanno scelto uno strato sottilissimo di materiale semiconduttore, il diseleniuro di molibdeno, che ha uno spessore di un solo atomo e in cui gli elettroni possono quindi muoversi solo su un piano. I ricercatori sono riusciti a modificare il numero di elettroni liberi applicando una tensione elettrica a due elettrodi di grafene trasparente, tra i quali è inserito il semiconduttore. Secondo le considerazioni teoriche, le proprietà elettriche del diseleniuro di molibdeno dovrebbero favorire la formazione di un cristallo di Wigner - a condizione che l'intero apparato sia raffreddato a pochi gradi sopra lo zero assoluto, a meno 273,15 gradi Celsius.

Ma produrre un cristallo di Wigner non è sufficiente. "Il problema successivo è stato quello di dimostrare che avevamo effettivamente dei cristalli di Wigner nel nostro apparato", spiega Tomasz Smoleński, primo autore dello studio e ricercatore post-dottorando nel laboratorio di Imamo?lu. La distanza calcolata tra gli elettroni del cristallo di Wigner dovrebbe essere di circa 20 nanometri - circa trenta volte più piccola della lunghezza d'onda della luce visibile e quindi irrisolvibile anche per i migliori microscopi.

Dimostrazione: Chi siamo

Grazie a un trucco, la fisica è riuscita a visualizzare la disposizione regolare degli elettroni nel reticolo cristallino nonostante la piccola distanza. Per farlo, hanno utilizzato una luce di una certa frequenza per eccitare i cosiddetti eccitoni nello strato di semiconduttore, ossia coppie di elettroni e "buchi" create da un elettrone mancante in un livello energetico del materiale. L'esatta frequenza della luce per la formazione di tali eccitoni e la velocità con cui si muovono dipendono sia dalle proprietà del materiale sia dall'interazione con altri elettroni nel materiale, come nel caso di un cristallo di Wigner.

La disposizione periodica degli elettroni del cristallo porta a un effetto che a volte può essere osservato in televisione. Se una bicicletta o un'automobile viaggiano sempre più velocemente, le ruote sembrano ferme a partire da una certa velocità e poi girano nella direzione opposta. Questo avviene perché la telecamera scatta un'istantanea della ruota ogni 40 millisecondi. Se in questo lasso di tempo i raggi regolarmente disposti della ruota si sono spostati esattamente di un raggio, la ruota sembra smettere di girare. In modo molto simile, gli eccitoni in movimento sembrano fermarsi se nel materiale è presente un cristallo di Wigner e si muovono a una certa velocità, che dipende dalla distanza tra gli elettroni nel reticolo cristallino.

Prima osservazione diretta

"Un gruppo di fisici teorici guidati da Eugene Demler dell'Università di Harvard, che quest'anno si trasferirà all'ETH, aveva calcolato teoricamente come questo effetto avrebbe dovuto manifestarsi nelle frequenze luminose osservate degli eccitoni - ed è esattamente quello che abbiamo visto in laboratorio", dice Imamo?lu. A differenza di precedenti esperimenti con semiconduttori planari, in cui i cristalli di Wigner erano osservati indirettamente tramite misure di corrente, questa è una prova diretta della disposizione regolare degli elettroni nel cristallo. Con il loro nuovo metodo, Imamo?lu e i suoi colleghi sperano di poter indagare più in dettaglio su come i cristalli di Wigner si formino da un "liquido" di elettroni disordinato in futuro.