Il controllo del modo in cui gli elettroni attraversano un materiale è di fondamentale importanza per costruire nuovi dispositivi elettronici. Il modo in cui il movimento elettronico è influenzato dai campi magnetici è un vecchio problema che non è stato completamente risolto, eppure ha già portato a numerosi premi Nobel per la fisica. Ora, i ricercatori dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia di Amburgo hanno risolto uno dei problemi di lunga data nel campo, vale a dire, come ripristinare una certa simmetria. I loro risultati sono stati appena pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Gli elettroni che si muovono in un forte campo magnetico compiono un moto circolare dovuto alla forza di Lorentz su cui si basano l'induzione elettromagnetica e il motore elettrico. Nella pianura quantistica dei materiali bidimensionali atomicamente sottili, questo porta a strani effetti quantistici come l'intero e gli effetti Hall quantizzati frazionari, che affermano che il numero di cariche deflesse da Lorentz non è arbitrario ma aumenta in passi discreti (quantizzati).

Nonostante molti progressi nel campo, la descrizione fondamentale di come si comportano gli elettroni nei campi magnetici è rimasta alquanto incompleta. "C'è un problema profondo qui. Diciamo che ho una bobina magnetica gigante e genera un campo che è lo stesso ovunque nello spazio. Gli elettroni nel mio foglio quantistico dovrebbero sentire la stessa forza ovunque, "dice Vasil Rokaj, dottorato di ricerca studente nel Dipartimento di Teoria MPSD e autore principale dello studio. "Ma i libri di testo standard che trattano il campo magnetico classicamente non tengono conto di questo requisito fisico, " Aggiunge.

Con un team di ricercatori guidati dal direttore della teoria MPSD Angel Rubio e dai leader del gruppo Michael Ruggenthaler e Michael Sentef, Rokaj e il coautore Markus Penz hanno deciso di derivare nuove equazioni che risolvessero questa mancanza. "Inizialmente non sapevamo cosa aspettarci, " aggiunge Ruggenthaler. "Infatti, eravamo interessati a un problema diverso, vale a dire, come un campo quantizzato piuttosto che classico in una cosiddetta cavità influenzi il movimento elettronico."

Per realizzare questo, Rokaj ha dovuto usare il formalismo dell'elettrodinamica quantistica, che è stato sviluppato per la prima volta negli anni '30 e '40 per descrivere come interagiscono elettroni e fotoni. Quando Rokaj scrisse le equazioni per gli elettroni nel solido, il team si è reso conto che è successo qualcosa di interessante. "Il campo magnetico in una bobina è composto da fotoni, quindi in linea di principio dovremmo essere in grado di descrivere anche il vecchio problema con il nostro nuovo approccio, "dice Ruggenthaler. "Sorprendentemente, l'incertezza quantistica (o fluttuazioni) del campo, che di solito non viene preso in considerazione, aiuta a ripristinare la simmetria fondamentale, che tutto dovrebbe essere lo stesso, non importa dove guardiamo nello spazio."

Angelo Rubio aggiunge, "Questi sforzi dimostrano che siamo sulla strada giusta affrontando il problema in modo completamente quantistico". Nel suo dipartimento di teoria, molti ricercatori lavorano al problema su larga scala di come i fotoni modificano le proprietà della materia, da nuove reazioni chimiche a materiali che potrebbero aiutare a costruire futuri computer quantistici. "Questo lavoro dimostra che vale sempre la pena dare uno sguardo nuovo ai vecchi problemi, e partire dai principi di base, " dice Rubio. "Sono sicuro che altre sorprese aspettano solo di essere scoperte."