Gli elettroni in un solido possono unirsi per formare le cosiddette quasiparticelle, che portano a nuovi fenomeni. I fisici dell'ETH di Zurigo hanno ora studiato quasiparticelle precedentemente non identificate in una nuova classe di semiconduttori atomicamente sottili. I ricercatori usano i loro risultati per correggere un'interpretazione errata prevalente.

Se si cerca di capire i fenomeni meteorologici, non è molto utile osservare il comportamento delle singole gocce d'acqua o delle molecole d'aria. Anziché, i meteorologi (e anche i profani) parlano di nuvole, venti e precipitazioni - oggetti che risultano dalla complessa interazione tra piccole particelle. I fisici che si occupano delle proprietà ottiche o della conduttività dei solidi usano più o meno lo stesso approccio. Ancora, minuscole particelle - elettroni e atomi - sono responsabili di una moltitudine di fenomeni, ma un quadro illuminante emerge solo quando molte di esse sono raggruppate in "quasiparticelle".

Però, scoprire con precisione quali quasiparticelle sorgono all'interno di un materiale e come si influenzano a vicenda non è un compito semplice, ma più simile a un grande puzzle i cui pezzi si incastrano, poco per volta, attraverso faticose ricerche. In una combinazione di studi sperimentali e teorici, Ataç Imamoglu e i suoi collaboratori dell'Istituto per l'elettronica quantistica dell'ETH di Zurigo sono ora riusciti a trovare un nuovo pezzo del puzzle, che aiuta anche a mettere un pezzo precedentemente fuori posto nella sua posizione corretta.

Eccitoni e polaroni

Nei solidi si possono creare quasiparticelle, ad esempio, quando un fotone viene assorbito. L'energia di movimento degli elettroni che brulicano in un solido può assumere solo valori all'interno di intervalli ben definiti noti come bande. Un fotone può promuovere un elettrone da una banda di energia bassa a una alta, lasciando così un "buco" nella fascia inferiore.

L'elettrone eccitato e la lacuna risultante si attraggono attraverso la forza elettrostatica di Coulomb, e se quell'attrazione è abbastanza forte, la coppia elettrone-lacuna può essere vista come una quasiparticella:nasce un "eccitone". Due elettroni e una lacuna possono legarsi insieme per formare un trione. Tuttavia, quando sono presenti contemporaneamente eccitoni e un gran numero di elettroni liberi, la descrizione delle proprietà qualitativamente nuove - o "emergenti" - del materiale richiede l'introduzione di un nuovo tipo di quasiparticelle chiamate polaroni di Fermi.

Quasiparticelle in un semiconduttore

Imamoglu e i suoi colleghi volevano scoprire la natura delle quasiparticelle che appaiono in un certo tipo di semiconduttori in cui gli elettroni possono muoversi solo in due dimensioni. Fare così, hanno preso un singolo strato di diseleniuro di molibdeno che è mille volte più sottile di un micrometro e lo hanno inserito tra due dischi di nitruro di boro. Hanno quindi aggiunto uno strato di grafene per applicare una tensione elettrica con cui controllare la densità degli elettroni nel materiale. Finalmente, il tutto era posto tra due specchi che formavano una cavità ottica.

Con questo complesso apparato sperimentale i fisici di Zurigo potrebbero ora studiare in dettaglio quanto fortemente il materiale assorbe la luce in condizioni diverse. Hanno scoperto che quando la struttura del semiconduttore è eccitata otticamente, Si formano fermi-polaroni - e non, come si pensava in precedenza, eccitoni o trioni. "Finora, ricercatori - me compreso - hanno interpretato erroneamente i dati disponibili all'epoca in questo senso", ammette Imamoglu. "Con i nostri nuovi esperimenti siamo ora in grado di correggere quell'immagine".

Lavoro di squadra con uno scienziato ospite

"Questo è stato uno sforzo di squadra con contributi essenziali del professore di Harvard Eugene Demler, che ha collaborato con noi per diversi mesi quando era un borsista ITS", dice Meinrad Sidler che è uno studente di dottorato nel gruppo Imamoglus. Dal 2013 l'Istituto per gli studi teorici (ITS) dell'ETH ha cercato di promuovere la ricerca interdisciplinare all'intersezione tra matematica, fisica teorica e informatica. In particolare, vuole facilitare la ricerca guidata dalla curiosità con l'obiettivo di trovare le migliori idee in luoghi inaspettati.

Lo studio di Imamoglu e dei suoi colleghi, ora pubblicato in Fisica della natura , è un buon esempio di come questo principio può avere successo. Nella sua stessa ricerca, Eugene Demler si occupa di atomi ultrafreddi, studiare come si comportano le miscele di atomi bosonici e fermionici. "La sua conoscenza dei polaroni nei gas e nei solidi atomici ha dato alla nostra ricerca importanti e interessanti impulsi, che forse non ci siamo inventati da soli", dice Imamoglu.

Superconduttività indotta dalla luce

Le intuizioni che hanno raccolto molto probabilmente terranno impegnati Imamoglu e i suoi collaboratori per qualche tempo a venire, poiché le interazioni tra particelle bosoniche (come gli eccitoni) e fermioniche (elettroni) sono l'argomento di un ampio progetto di ricerca per il quale Imamoglu ha vinto l'anno scorso un Advanced Grant dell'European Research Council (ERC), ed è anche supportato dal National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT). Una migliore comprensione di tali miscele avrebbe importanti implicazioni per la ricerca di base, ma anche applicazioni entusiasmanti invitano. Ad esempio, un obiettivo chiave del progetto ERC è la dimostrazione del controllo della superconduttività mediante laser.