Elettroni (verde) in una fetta del materiale sandwich attorcigliato. Le proprietà del materiale possono essere studiate utilizzando elettroni (nero/rosso) eccitati dalla luce laser. Credito:ETH Zurigo / Yuya Shimazaki
In un materiale formato da due sottili strati di cristallo leggermente attorcigliati l'uno rispetto all'altro, i ricercatori dell'ETH hanno studiato il comportamento degli elettroni che interagiscono fortemente. Così facendo, hanno trovato una serie di proprietà sorprendenti.
Molte moderne tecnologie si basano su materiali speciali, come i semiconduttori che sono importanti per i computer, all'interno del quale gli elettroni possono muoversi più o meno liberamente. Esattamente quanto siano liberi quegli elettroni è determinato dalle loro proprietà quantistiche e dalla struttura cristallina del materiale. Il più delle volte si muovono indipendentemente l'uno dall'altro. A determinate condizioni, però, forti interazioni tra gli elettroni possono dar luogo a particolari fenomeni. Superconduttori, in cui gli elettroni si accoppiano per condurre corrente elettrica senza resistenza, sono un esempio ben noto.
Presso l'Istituto per l'elettronica quantistica di Zurigo, Il professore di ETH Ataç Imamoğlu studia materiali con elettroni fortemente interagenti. Vuole capire meglio il comportamento degli elettroni in quei materiali e cerca proprietà inaspettate che potrebbero essere interessanti per applicazioni future. In un materiale "contorto", lui e i suoi collaboratori hanno ora fatto delle scoperte sorprendenti sul comportamento degli elettroni, come riportano sulla rivista scientifica Natura .
Motivo moiré in un cristallo
Per creare interazioni forti tra gli elettroni in modo controllato, Il gruppo di ricerca di Imamoğlu ha utilizzato fette sottilissime fatte di strati di un cristallo di diseleniuro di molibdeno dello spessore di un solo atomo. Tali fette sono anche conosciute come materiali bidimensionali poiché gli elettroni in esse contenuti possono muoversi liberamente solo su un piano. Questa caratteristica da sola porta già a una serie di proprietà sorprendenti come quelle osservate nel grafene, che appartiene anche alla classe dei materiali bidimensionali.
Le cose si fanno ancora più interessanti, però, quando due di queste fette vengono messe una sopra l'altra con la direzione del cristallo leggermente attorcigliata. Questo porta ad un effetto noto dalla televisione:se qualcuno indossa una cravatta o un vestito di tessuto a quadri o a righe, a volte sullo schermo appaiono strani motivi. Questi sono anche noti come motivi moiré.
Qualcosa di simile accade nei materiali di Imamoğlu. La torsione tra le due fette crea una sorta di reticolo di cristallo moiré che equivale a un cristallo fittizio con atomi più distanti del solito. Un tale cristallo ha un'influenza molto più debole sul movimento degli elettroni, il che significa che le interazioni tra gli elettroni diventano più importanti al confronto.
L'effetto moiré con due reticoli sovrapposti. La leggera torsione tra i reticoli si traduce in un motivo moiré più grossolano con punti reticolari distanti (regioni chiare e scure). Credito:ETH Zurigo / Yuya Shimazaki
Proprietà sorprendenti
"Pensare 'più è meglio, ' abbiamo inoltre inserito uno strato sottile di un materiale diverso tra le fette di diseleniuro di molibdeno, "dice Yuya Shimazaki, postdoc leader nel gruppo di Imamoğlu. Quella fetta di nitruro di boro assicura che, anche se le due fette attorcigliate sono molto vicine tra loro, gli elettroni non possono fare tunnel avanti e indietro tra di loro. Applicando una tensione elettrica al materiale si può quindi controllare esattamente quanti elettroni sono presenti al suo interno. Finalmente, per scoprire come si muovono gli elettroni all'interno di questo materiale sandwich, i ricercatori l'hanno illuminato con luce laser, eccitando così gli elettroni.
"Il nostro materiale ci permette di studiare gli elettroni con mezzi ottici, " Spiega Imamoğlu. "Questo è un grande vantaggio rispetto ad altri materiali 2-D come il grafene." Dai segnali luminosi emessi dagli elettroni eccitati, si possono dedurre molte proprietà sconcertanti degli elettroni. Ciò che più sorprese i fisici fu il comportamento del loro materiale quando conteneva tanti elettroni quanti erano i siti reticolari nei modelli moiré delle due fette.
In tal caso i cosiddetti stati isolanti di Mott, in cui esattamente un elettrone occupa un sito reticolare, apparso in entrambe le fette. Quello stato era piuttosto peculiare in quanto gli stati isolanti di Mott si stabilizzavano a vicenda, tale che anche forti campi elettrici esterni non potevano spostarli e quindi nessuna corrente scorreva. "E' la prima volta che si osserva un comportamento del genere, " dice Imamoğlu.
Materiale ideale per future indagini
Il nuovo materiale apre la strada a una serie di ulteriori entusiasmanti indagini. È ideale per esperimenti controllati con elettroni fortemente interagenti. I ricercatori possono modificare le proprietà del materiale e la forza delle interazioni attraverso lo strato di nitruro di boro e l'angolo tra le fette di diseleniuro di molibdeno. Ciò consente loro di studiare processi fisici complessi che sono difficili da realizzare in altri materiali.
