Per la prima volta, I fisici del MIT hanno osservato un cristallo di elettroni altamente ordinato in un materiale semiconduttore e ne hanno documentato la fusione, proprio come il ghiaccio che si scioglie in acqua. Le osservazioni confermano una fondamentale transizione di fase nella meccanica quantistica che è stata proposta teoricamente più di 80 anni fa ma fino ad ora non documentata sperimentalmente.

Il gruppo, guidato dal professore di fisica del MIT Raymond Ashoori e dal suo postdoc Joonho Jang, utilizzato una tecnica di spettroscopia sviluppata nel gruppo di Ashoori. Il metodo si basa sul "tunneling" di elettroni, "un processo quantomeccanico che consente ai ricercatori di iniettare elettroni a energie precise in un sistema di interesse, in questo caso, un sistema di elettroni intrappolati in due dimensioni. Il metodo utilizza centinaia di migliaia di brevi impulsi elettrici per sondare un foglio di elettroni in un materiale semiconduttore raffreddato a temperature estremamente basse, appena sopra lo zero assoluto.

Con la loro tecnica di tunneling, i ricercatori hanno sparato elettroni nel materiale superraffreddato per misurare gli stati energetici degli elettroni all'interno del foglio semiconduttore. Contro una sfocatura dello sfondo, hanno rilevato un forte picco nei dati. Dopo molte analisi, hanno determinato che il picco era il segnale preciso che sarebbe stato emesso da un cristallo altamente ordinato di elettroni che vibravano all'unisono.

Quando il gruppo aumenta la densità degli elettroni, essenzialmente impacchettandoli in spazi sempre più stretti all'interno del lenzuolo, hanno scoperto che il picco di dati è salito a energie più elevate, poi scomparve del tutto, precisamente a una densità elettronica alla quale è stato previsto che un cristallo elettronico si sciolga.

I ricercatori credono di aver finalmente catturato il processo di fusione quantistica, una transizione di fase nella meccanica quantistica, in cui gli elettroni che hanno formato una struttura cristallina semplicemente attraverso le loro interazioni quantistiche si fondono in un fluido più disordinato, in risposta alle fluttuazioni quantistiche della loro densità.

"Abbiamo visto qualcosa di radicalmente nuovo, " dice Ashoori. "Ci sono state molte persone che cercavano da molto tempo di dimostrare una fusione di cristalli elettronici, e penso che ce l'abbiamo fatta".

Ashoori e Jang hanno pubblicato i loro risultati la scorsa settimana sulla rivista Fisica della natura . I loro coautori sono l'ex postdoc del MIT Benjamin Hunt, e Loren Pfeiffer e Kenneth West della Princeton University.

Un'idea cristallizzante

L'idea di un cristallo di elettroni fu proposta per la prima volta nel 1934 dal fisico ungherese-americano Eugene Wigner. Normalmente, i metalli semiconduttori come il silicio e l'alluminio sono in grado di condurre elettricità sotto forma di elettroni che fanno ping-pong a velocità fulminee, creando una corrente attraverso il materiale.

Però, a temperature ultrafredde, gli elettroni in questi metalli dovrebbero macinare quasi fino a fermarsi, perché è rimasto pochissimo calore per stimolare i loro movimenti. Qualsiasi movimento che gli elettroni esibiscono, poi, dovrebbe essere dovuto alle interazioni quantistiche:le forze invisibili tra i singoli elettroni e altri quanti, particelle subatomiche.

elettroni, essendo caricato negativamente, respingono naturalmente l'un l'altro. Wigner propose che per gli elettroni superraffreddati a bassa densità, le loro reciproche forze repulsive dovrebbero agire come una sorta di impalcatura, tenendo gli elettroni insieme ma separati a intervalli equidistanti, creando così un cristallo di elettroni. Una disposizione così rigida, che da allora è stato coniato un cristallo Wigner, dovrebbe trasformare un metallo in un isolante piuttosto che in un conduttore elettrico.

Attraverso un tunnel quantistico

Dalla proposta di Wigner, altri hanno provato ad osservare un cristallo Wigner in laboratorio, con risultati inconcludenti. Da parte loro, Ashoori e Jang non si erano inizialmente proposti di trovare un cristallo Wigner, ma invece voleva semplicemente sondare un foglio bidimensionale di elettroni usando la loro tecnica di tunneling elettronico.

Per l'ultimo decennio, il gruppo ha sviluppato e migliorato la sua tecnica, che implica sparare elettroni attraverso una barriera per sondare gli stati energetici di un materiale dall'altra parte. La meccanica quantistica afferma che esiste una probabilità che qualsiasi oggetto nell'universo possa attraversare o "tunnel" attraverso una barriera apparentemente impenetrabile e uscire dall'altra parte immutato.

Questa idea è la chiave per la tecnica di tunneling dei ricercatori, in cui sparano elettroni attraverso una barriera semiconduttrice, ad un sottostante foglio bidimensionale di elettroni. Là, gli elettroni tunnel possono causare vibrazioni negli elettroni circostanti, le energie di cui i ricercatori possono misurare, date le energie note degli elettroni tunnel.

Una "scoperta fortuita"

Nei loro esperimenti, il team ha sondato un foglio semiconduttore di arseniuro di gallio sotto una barriera di arseniuro di alluminio e gallio. I ricercatori hanno raffreddato l'intero campione fino a una frazione sopra lo zero assoluto e hanno applicato impulsi di elettroni a energie variabili, quindi analizzato i dati risultanti.

Quando Jang ha notato il picco molto netto nei dati, ha esaminato la precedente letteratura teorica per spiegare la caratteristica e alla fine è giunto alla conclusione che il picco, data la temperatura e la densità elettronica alla quale si è formato, potrebbe essere solo una firma per un cristallo di elettroni che vibrano all'unisono.

"Molte delle previsioni teoriche corrispondevano alle nostre osservazioni, affinché, abbiamo pensato, era una pistola fumante, " dice Jang. "Abbiamo osservato il suono di un cristallo di elettroni".

I ricercatori hanno fatto un ulteriore passo avanti per vedere cosa accadrebbe se alterassero la densità degli elettroni nel foglio bidimensionale. All'aumentare della densità, anche le energie vibrazionali del cristallo di elettroni lo fecero, alla fine il picco, poi scomparendo nel punto esatto in cui le teorie hanno previsto che un cristallo dovrebbe sciogliersi. Il cristallo degli elettroni, i ricercatori hanno ipotizzato, deve essere diventato così denso che l'intera struttura si è sbriciolata in un modo più disordinato, stato fluido.

"Nessuno ha mai guardato a questo sistema con questo tipo di risoluzione, " dice Ashoori. "È stata una scoperta assolutamente fortuita".

Il team sta lavorando per migliorare ulteriormente la risoluzione della sua tecnica di tunneling elettronico, nella speranza di usarlo per discernere le forme specifiche dei cristalli di elettroni.

"Diversi cristalli hanno diversi modi di vibrazione, e se avessimo una risoluzione migliore, potremmo determinare se ci sono determinati picchi nella curva di vibrazione che indicano modalità diverse, o forme, " dice Ashoori. "C'è motivo di credere che possiamo determinarlo con il tempo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.