Scienziati dell'Università di Costanza e dell'Università di Paderborn sono riusciti a produrre e dimostrare per la prima volta la cosiddetta localizzazione Wannier-Stark. Così facendo, i fisici riuscirono a superare ostacoli fino a quel momento considerati insormontabili nel campo dell'optoelettronica e della fotonica. La localizzazione di Wannier-Stark provoca uno squilibrio estremo all'interno del sistema elettrico dei solidi cristallini. "Questo effetto fondamentale è stato previsto più di 80 anni fa. Ma da allora è rimasto poco chiaro se questo stato possa essere realizzato in un cristallo sfuso, questo è, a livello di legami chimici tra atomi, "dice il professor Alfred Leitenstorfer, professore di fisica sperimentale all'Università di Costanza. Gli analoghi dell'effetto sono stati finora dimostrati solo in sistemi artificiali come superreticoli semiconduttori o gas atomici ultrafreddi. In un solido sfuso, La localizzazione di Wannier-Stark può essere mantenuta solo per un periodo di tempo estremamente breve, più breve di una singola oscillazione della luce infrarossa. Utilizzando i sistemi laser ultraveloci dell'Università di Costanza, La localizzazione di Wannier-Stark è stata dimostrata per la prima volta. L'esperimento è stato condotto in un cristallo di arseniuro di gallio di elevata purezza cresciuto presso l'ETH di Zurigo utilizzando la crescita epitassiale. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura il 23 luglio 2018.

Un cristallo può essere visualizzato come una griglia tridimensionale composta da piccole perline che si respingono e sono tenute insieme solo da elastici. Il sistema rimane stabile finché l'elastico è forte quanto la repulsione. Se questo è il caso, le perle non si avvicinano l'una all'altra, né si allontanano l'uno dall'altro:la distanza tra loro rimane pressoché la stessa. La localizzazione di Wannier-Stark si verifica quando gli elastici vengono rimossi bruscamente. È lo stato elettronico che si verifica nel momento preciso in cui gli elastici sono già spariti ma le perline rimangono ancora al loro posto:i legami chimici che tengono insieme il cristallo sono stati sospesi.

Se questo stato viene mantenuto per troppo tempo, le perline si romperanno e il cristallo si dissolverà. Per analizzare la localizzazione di Wannier-Stark, i fisici hanno dovuto rimuovere le strutture stabilizzatrici, catturare il sistema entro una frazione di un'oscillazione luminosa utilizzando impulsi luminosi, e infine stabilizzarlo nuovamente per evitare che gli atomi si rompano. L'esperimento è stato reso possibile grazie al campo elettrico molto intenso di un impulso di luce infrarossa ultracorto, che è presente nel cristallo solo per pochi femtosecondi. "Questo è ciò in cui siamo specializzati:studiare fenomeni che esistono solo su scale temporali molto brevi, " spiega Alfred Leitenstorfer.

"In isolanti e semiconduttori perfetti, gli stati elettronici si espandono attraverso l'intero cristallo. Secondo una previsione di 80 anni, questo cambia non appena viene applicata la tensione elettrica, " dice il professor Torsten Meier dell'Università di Paderborn. "Se il campo elettrico all'interno del cristallo è abbastanza forte, gli stati elettronici possono essere localizzati a pochi atomi. Questo stato è chiamato la scala Wannier-Stark, " spiega il fisico.

"Un sistema che si discosta così tanto dal suo equilibrio ha caratteristiche completamente nuove, " dice Alfred Leitenstorfer sul perché questo stato è così interessante da una prospettiva scientifica. La localizzazione di Wannier-Stark di breve durata è correlata a drastici cambiamenti nella struttura elettronica del cristallo e risultati, Per esempio, in una non linearità ottica estremamente elevata. Gli scienziati presumono anche che questo stato sia chimicamente particolarmente reattivo.

La prima realizzazione sperimentale della localizzazione di Wannier-Stark in un cristallo di arseniuro di gallio è stata resa possibile grazie alla radiazione Terahertz altamente intensa con intensità di campo di oltre dieci milioni di volt per centimetro. L'applicazione di impulsi di luce ottica più ultracorti ha comportato modifiche alle caratteristiche ottiche del cristallo, che è stato strumentale per dimostrare questo stato. "Se usiamo impulsi di luce adeguatamente intensi costituiti da poche oscillazioni della durata di una decina di femtosecondi soltanto, possiamo realizzare la localizzazione Wannier-Stark per un breve periodo di tempo, " afferma Alfred Leitenstorfer. "Le nostre letture corrispondono alle considerazioni teoriche e alle simulazioni effettuate sia dal mio gruppo di ricerca che da quello del mio collega, Professor Wolf Gero Schmidt, " aggiunge Torsten Meier. I ricercatori hanno in programma di studiare in futuro lo stato estremo della localizzazione di Wannier-Stark su scala atomica in modo più dettagliato e intendono rendere utilizzabili le sue particolari caratteristiche.