I fisici dell'Università di Utrecht hanno creato un "simulatore quantistico, ' un sistema modello per studiare le previsioni teoriche per un'intera nuova classe di materiali. Questi "supermateriali" includono grafene, che ha una struttura bidimensionale e caratteristiche uniche. Gli esperimenti condotti a Utrecht non solo confermano le previsioni dei fisici teorici, ma ha anche fornito nuovi spunti. Hanno scoperto che a livelli di energia più elevati, un semplice reticolo rettangolare ha caratteristiche che normalmente si osservano solo in materiali esotici. I risultati della loro ricerca sono pubblicati in Fisica della natura del 24 aprile 2017.

Le caratteristiche di un materiale sono determinate dagli atomi di cui è composto, e come sono organizzati. I calcoli eseguiti dai fisici teorici mostrano che in alcune strutture bidimensionali, gli atomi possono essere organizzati in modo tale da ottenere un'ampia gamma di supercaratteristiche. Fino ad ora, questa ricerca è stata limitata alle previsioni teoriche:molti dei reticoli che i fisici hanno inventato semplicemente non esistevano in natura, né sono stati prodotti in laboratorio. Però, utilizzando il metodo sviluppato dai fisici di Utrecht, questi risultati possono ora essere testati sperimentalmente.

Cristallo bidimensionale di elettroni

"L'idea di base è che possiamo creare un cristallo bidimensionale di elettroni in qualsiasi forma vogliamo, " spiega il leader della ricerca Ingmar Swart. "Questo ci permette di determinare con precisione le caratteristiche del cristallo, che ci consente di condurre esperimenti su molte delle idee avanzate dai nostri colleghi teorici".

Swart e il suo team hanno creato un tale reticolo largo poche decine di nanometri su un cristallo di rame. La superficie del cristallo contiene un gran numero di elettroni, che sono forzati in determinate posizioni sulla superficie costruendo un reticolo di molecole di monossido di carbonio con precisione atomica. "Il modo in cui lo facciamo può essere paragonato a un dito che spinge una caramella alla menta avanti e indietro su un tavolo. Ma in questo caso, il dito è un ago con una punta non più grande di un singolo atomo, "Spiega Swart.

I risultati finora mostrano che le previsioni teoriche sono abbastanza accurate. Però, gli esperimenti hanno anche svelato un fenomeno che i fisici teorici non avevano ancora considerato, e che possono presentare nuove applicazioni.

A livelli di energia più elevati, una semplice griglia rettangolare sembra trasformarsi in una struttura nota come "reticolo di Lieb". "Questo reticolo di Lieb è il vero reticolo per alcuni superconduttori ad alta temperatura. È quindi fondamentale comprendere le caratteristiche e il comportamento degli elettroni in questo reticolo, " spiega il fisico teorico Prof. Cristiane Morais Smith.

C'è ancora molta strada da fare da questo sistema modello a nuovi super-materiali come il grafene. "Ma il nostro sistema è una specie di 'simulatore quantistico, ' che possiamo usare per testare nuove idee teoriche con il grado ottimale di flessibilità, "dice Morais Smith.