Schema delle corsie di conduzione previste in cui gli elettroni possono fluire ai confini tra regioni con orientamenti opposti delle orbite degli elettroni. Credito:il gruppo di ricerca Ali Yazdani presso la Princeton University.
I ricercatori di Princeton hanno dimostrato un nuovo modo di realizzare "fili quantici" controllabili in presenza di un campo magnetico, secondo un nuovo studio pubblicato in Natura .
I ricercatori hanno rilevato canali di elettroni conduttori che si formano tra due stati quantistici sulla superficie di un cristallo di bismuto sottoposto a un elevato campo magnetico. Questi due stati sono costituiti da elettroni che si muovono su orbite ellittiche con orientamenti diversi.
Con sorpresa della squadra, hanno scoperto che il flusso di corrente in questi canali può essere attivato e disattivato, rendendo questi canali un nuovo tipo di cavo quantistico controllabile.
"Questi canali sono notevoli perché si formano spontaneamente ai confini tra diversi stati quantistici in cui gli elettroni allineano collettivamente le loro orbite ellittiche, "ha detto Ali Yazdani, la classe del 1909 Professore di Fisica e direttore del Princeton Center for Complex Materials, che ha guidato la ricerca. "È emozionante vedere come l'interazione tra gli elettroni nei canali determina fortemente se possono condurre o meno".
I ricercatori hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel, un dispositivo in grado di visualizzare i singoli atomi e mappare il movimento degli elettroni sulla superficie di un materiale, per visualizzare i comportamenti degli elettroni sulla superficie di un cristallo fatto di puro bismuto.
Immagine al microscopio a effetto tunnel che mostra un confine tra regioni con diversi orientamenti dell'orbita degli elettroni. Credito:il gruppo di ricerca Ali Yazdani presso la Princeton University
Con questo strumento, il team ha ripreso direttamente i movimenti degli elettroni in presenza di un campo magnetico migliaia di volte più grande di quello di un magnete da frigorifero. L'applicazione del grande campo magnetico costringe gli elettroni a muoversi in orbite ellittiche, invece del più tipico flusso di elettroni parallelo alla direzione di un campo elettrico.
Il team ha scoperto che i canali di conduzione si formano al confine, che chiamano muro di dominio polarizzato a valle, tra due regioni del cristallo in cui le orbite degli elettroni cambiano bruscamente orientamento.
Mallika Randeria, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica, chi ha condotto gli esperimenti, disse:"Troviamo che ci sono canali a due e quattro corsie in cui gli elettroni possono fluire, a seconda del valore preciso del campo magnetico." Lei e i suoi colleghi hanno osservato che quando gli elettroni sono sintonizzati per muoversi in un canale a quattro corsie, si bloccano, ma possono fluire senza impedimenti quando sono confinati solo in un canale a due corsie.
Cercando di capire questo comportamento, i ricercatori hanno scoperto nuove regole in base alle quali le leggi della meccanica quantistica dettano la repulsione tra gli elettroni in questi fili quantistici multicanale. Mentre il maggior numero di corsie sembrerebbe suggerire una migliore conduttività, la repulsione tra gli elettroni fa sì che in modo controintuitivo cambino corsia, Cambia direzione, e rimanere bloccato, conseguente comportamento isolante. Con meno canali, gli elettroni non hanno la possibilità di cambiare corsia e devono trasmettere corrente elettrica anche se devono spostarsi "attraverso" l'un l'altro, un fenomeno quantistico possibile solo in tali canali unidimensionali.
Analoga conduzione protetta avviene lungo i confini dei cosiddetti stati topologici della materia, che sono stati oggetto del Premio Nobel 2016 assegnato a F. Duncan Haldane di Princeton, il professore di fisica della Sherman Fairchild University. La spiegazione teorica per la nuova scoperta si basa sul lavoro precedente svolto da due membri del team, Siddharth Parameswaran, che allora era uno studente laureato a Princeton ed è ora professore associato di fisica all'Università di Oxford, e Shivaji Sondhi di Princeton, professore di fisica, e collaboratori.
"Sebbene alcune delle idee teoriche che abbiamo usato siano in circolazione da un po', è ancora una sfida vedere come si combinano per spiegare un esperimento reale, e una vera emozione quando ciò accade, " Ha detto Parameswaran. "Questo è un perfetto esempio di come esperimento e teoria lavorino in tandem:senza i nuovi dati sperimentali non avremmo mai rivisitato la nostra teoria, e senza la nuova teoria sarebbe stato difficile capire gli esperimenti."
