In un potenziale periodico unidimensionale, rappresentato dai denti e dalle tacche di una barra di Toblerone, non c'è flusso libero di elettroni se esattamente due di loro (nella foto qui come coppie di orsetti gommosi) occupano ogni tacca, per il principio di esclusione di Pauli. Sorprendentemente, un comportamento isolante simile può essere osservato con atomi fermionici ultrafreddi che si attraggono fortemente l'un l'altro, formando così un cosiddetto liquido di Luther-Emery. Credito:gruppo Esslinger/ETH Zurigo
Il comportamento degli elettroni in un materiale è tipicamente difficile da prevedere. Nuove intuizioni provengono ora da esperimenti e simulazioni eseguite da un team guidato da fisici dell'ETH che hanno studiato le proprietà di trasporto elettronico in un filo quantistico unidimensionale contenente un reticolo mesoscopico.
Se un materiale è, Per esempio, un metallo o un isolante dipende da una serie di dettagli microscopici, compresa la forza delle interazioni tra gli elettroni, la presenza di impurità e il numero di dimensioni attraverso le quali i portatori di carica possono propagarsi. Questa complessità rende estremamente difficile la previsione delle proprietà elettroniche nei sistemi a stato solido. Comprendere il comportamento degli elettroni in un materiale diventa tanto più difficile quando si muovono attraverso un potenziale periodico, per esempio in un cristallo. Quindi fenomeni come la superfluidità, che è associato ad una grande conduttanza, può competere con effetti di interferenza che trasformano il materiale in un isolante.
Martin Lebrat, insieme ai colleghi del gruppo di Tilman Esslinger dell'Institute for Quantum Electronics dell'ETH di Zurigo e ai collaboratori dell'Università di Ginevra e dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hanno ora affrontato il problema eseguendo esperimenti in un materiale artificiale perfettamente pulito che possono controllare con grande precisione e flessibilità. Come riportano in un articolo pubblicato su Revisione fisica X , hanno usato la luce laser per creare brevi strutture reticolari unidimensionali collegate a due serbatoi di atomi di litio-6 ultrafreddi. In questa configurazione possono misurare la conduttanza del filo pur avendo un controllo squisito su tutti i parametri rilevanti, comprese la lunghezza e l'altezza del reticolo e le interazioni tra le particelle trasportate attraverso di esso.
Nei loro esperimenti, hanno osservato l'emergere di una fase di isolamento della banda con interazioni deboli. Quando hanno sintonizzato le interazioni da debolmente a fortemente attraenti, hanno scoperto che questo stato isolante persiste, alludendo alla presenza di un cosiddetto liquido di Luther-Emery, una fase originale che è stata prevista nel 1974 e che è distintiva del carattere unidimensionale della struttura.
Gli atomi sono modellati in un filo usando la luce laser. Il loro flusso può essere influenzato proiettando un numero variabile di ostacoli luminosi focalizzati sul filo con un obiettivo da microscopio. Credito:gruppo Esslinger/ETH Zurigo
Il lavoro sperimentale è supportato da simulazioni, e presi insieme questi risultati dimostrano il controllo simultaneo delle interazioni e delle interferenze quantistiche nei dispositivi ad atomi freddi. Questo dovrebbe essere interessante non solo per esplorare il comportamento degli elettroni che si muovono attraverso i materiali; la flessibilità fornita dall'approccio di Lebrat e collaboratori significa anche che possono progettare strutture complesse con nuove funzionalità che non sono disponibili nei sistemi elettronici.
