Quando una ballerina piroetta, girando una rivoluzione completa, ha lo stesso aspetto di quando ha iniziato. Ma per gli elettroni e altre particelle subatomiche, che seguono le regole della teoria quantistica, non è necessariamente così. Quando un elettrone si muove lungo un percorso chiuso, finire dove è iniziato, il suo stato fisico può o non può essere lo stesso di quando se n'è andato.

Ora, c'è un modo per controllare il risultato, grazie a un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST). Il team ha sviluppato il primo interruttore che accende e spegne questo misterioso comportamento quantistico. La scoperta promette di fornire nuove informazioni sui fondamenti della teoria quantistica e potrebbe portare a nuovi dispositivi elettronici quantistici.

Per studiare questa proprietà quantistica, Il fisico del NIST e collega Joseph A. Stroscio e i suoi colleghi hanno studiato gli elettroni racchiusi in orbite speciali all'interno di una regione di grafene di dimensioni nanometriche, un ultraforte, singolo strato di atomi di carbonio strettamente impacchettati. Gli elettroni raggruppati orbitano attorno al centro del campione di grafene proprio come gli elettroni orbitano attorno al centro di un atomo. Gli elettroni orbitanti normalmente mantengono le stesse esatte proprietà fisiche dopo aver percorso un circuito completo nel grafene. Ma quando un campo magnetico applicato raggiunge un valore critico, funge da interruttore, alterando la forma delle orbite e facendo sì che gli elettroni possiedano diverse proprietà fisiche dopo aver completato un circuito completo.

I ricercatori riportano i loro risultati nel 26 maggio, 2017, problema di Scienza .

L'interruttore quantistico di nuova concezione si basa su una proprietà geometrica chiamata fase Berry, prende il nome dal fisico inglese Sir Michael Berry che sviluppò la teoria di questo fenomeno quantistico nel 1983. La fase di Berry è associata alla funzione d'onda di una particella, che nella teoria quantistica descrive lo stato fisico di una particella. La funzione d'onda, pensa a un'onda oceanica, ha sia un'ampiezza (l'altezza dell'onda) che una fase, la posizione di un picco o di un minimo rispetto all'inizio del ciclo delle onde.

Quando un elettrone fa un circuito completo attorno a un anello chiuso in modo che ritorni alla sua posizione iniziale, la fase della sua funzione d'onda può spostarsi invece di tornare al suo valore originale. Questo passaggio di fase, la fase della bacca, è una sorta di memoria del viaggio di un sistema quantistico e non dipende dal tempo, solo sulla geometria del sistema, la forma del percorso. Inoltre, il cambiamento ha conseguenze osservabili in un'ampia gamma di sistemi quantistici.

Sebbene la fase di Berry sia un fenomeno puramente quantistico, ha un analogo nei sistemi non quantistici. Consideriamo il moto di un pendolo di Foucault, che è stato utilizzato per dimostrare la rotazione della Terra nel 19° secolo. Il pendolo sospeso oscilla semplicemente avanti e indietro sullo stesso piano verticale, ma sembra ruotare lentamente durante ogni oscillazione, una sorta di sfasamento, a causa della rotazione della Terra al di sotto di essa.

Dalla metà degli anni '80, gli esperimenti hanno mostrato che diversi tipi di sistemi quantistici hanno una fase di Berry ad essi associata. Ma fino allo studio attuale, nessuno aveva costruito un interruttore che potesse attivare e disattivare la fase Bacca a piacimento. L'interruttore sviluppato dal team, controllato da un piccolo cambiamento in un campo magnetico applicato, dà agli elettroni un improvviso e grande aumento di energia.

Diversi membri dell'attuale gruppo di ricerca, con sede presso il Massachusetts Institute of Technology e l'Università di Harvard, hanno sviluppato la teoria per l'interruttore di fase di Berry.

Per studiare la fase Bacca e creare l'interruttore, Fereshte Ghahari, membro del team del NIST, ha costruito un dispositivo al grafene di alta qualità per studiare i livelli di energia e la fase Berry degli elettroni racchiusi all'interno del grafene.

Primo, il team ha confinato gli elettroni per occupare determinate orbite e livelli di energia. Per mantenere gli elettroni rinchiusi, il membro del team Daniel Walkup ha creato una versione quantistica di un recinto elettrico utilizzando impurità ionizzate nello strato isolante sotto il grafene. Ciò ha consentito un microscopio a scansione a effetto tunnel presso la struttura per gli utenti di nanotecnologie del NIST, il Centro per la scienza e la tecnologia su nanoscala, per sondare i livelli di energia quantistica e la fase di Berry degli elettroni confinati.

Il team ha quindi applicato un debole campo magnetico diretto nel foglio di grafene. Per gli elettroni che si muovono in senso orario, il campo magnetico creato più stretto, orbite più compatte. Ma per gli elettroni che si muovono in orbite antiorario, il campo magnetico ha avuto l'effetto opposto, trascinando gli elettroni in orbite più ampie. Ad un'intensità critica del campo magnetico, il campo fungeva da interruttore di fase Berry. Ha attorcigliato le orbite in senso antiorario degli elettroni, facendo eseguire alle particelle cariche delle piroette in senso orario vicino al confine del recinto elettrico.

ordinariamente, queste piroette avrebbero poche conseguenze. Però, afferma il membro del team Christopher Gutiérrez, "gli elettroni nel grafene possiedono una speciale fase Berry, che si accende quando vengono attivate queste piroette indotte magneticamente."

Quando la fase Bacca è attiva, gli elettroni orbitanti saltano bruscamente a un livello energetico più alto. L'interruttore quantistico fornisce una ricca cassetta degli attrezzi scientifici che aiuterà gli scienziati a sfruttare le idee per nuovi dispositivi quantistici, che non hanno analoghi nei sistemi a semiconduttore convenzionali, dice Stroscio.