Rappresentazione artistica della dissoluzione dell'"ingorgo" elettronico. Gli atomi rossi sono diversi nella loro natura quantistica e consentono il trasporto di elettroni nell'ambiente circostante. Attestazione:SBQMI
La maggior parte dei dispositivi elettronici moderni si basa su minuscoli, correnti elettriche finemente sintonizzate per elaborare e memorizzare le informazioni. Queste correnti determinano la velocità di esecuzione dei nostri computer, con quanta regolarità ticchettano i nostri pacemaker e con quanta sicurezza i nostri soldi sono conservati in banca.
In uno studio pubblicato su Fisica della natura , i ricercatori dell'Università della British Columbia hanno dimostrato un modo completamente nuovo per controllare con precisione tali correnti elettriche sfruttando l'interazione tra lo spin di un elettrone (che è il campo magnetico quantistico che trasporta intrinsecamente) e la sua rotazione orbitale attorno al nucleo.
"Abbiamo trovato un nuovo modo per accendere o spegnere la conduzione elettrica nei materiali, " ha detto l'autore principale Berend Zwartsenberg, un dottorato di ricerca studente presso lo Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) dell'UBC. "Non solo questo entusiasmante risultato estende la nostra comprensione di come funziona la conduzione elettrica, ci aiuterà a esplorare ulteriormente proprietà note come la conduttività, magnetismo e superconduttività, e scoprirne di nuovi che potrebbero essere importanti per l'informatica quantistica, archiviazione dati e applicazioni energetiche."
Capovolgere l'interruttore sulle transizioni metallo-isolante
A grandi linee, tutti i materiali possono essere classificati come metalli o isolanti, a seconda della capacità degli elettroni di muoversi attraverso il materiale e condurre elettricità.
Misura di un materiale in cui è stata utilizzata la modifica dell'accoppiamento spin-orbita per renderlo elettronicamente conduttivo. I colori scuri rappresentano gli elettroni che sono liberi di muoversi attraverso il materiale, e sono un indicatore del comportamento conduttivo. Credito:Berend Zwartsenberg/SBQMI
Però, non tutti gli isolanti sono creati allo stesso modo. In materiali semplici, la differenza tra comportamento metallico e isolante deriva dal numero di elettroni presenti:un numero dispari per i metalli, e un numero pari per gli isolanti. In materiali più complessi, come i cosiddetti isolanti di Mott, gli elettroni interagiscono tra loro in modi diversi, con un delicato equilibrio che ne determina la conduzione elettrica.
In un isolante Mott, la repulsione elettrostatica impedisce agli elettroni di avvicinarsi troppo l'uno all'altro, che crea un ingorgo e limita il libero flusso di elettroni. Fino ad ora, c'erano due modi noti per liberare l'ingorgo:riducendo la forza dell'interazione repulsiva tra gli elettroni, o cambiando il numero di elettroni.
Il team SBQMI ha esplorato una terza possibilità:c'era un modo per alterare la natura quantistica del materiale per consentire il verificarsi di una transizione metallo-isolante?
Utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, il team ha esaminato l'isolante Mott Sr2IrO4, monitorare il numero di elettroni, la loro repulsione elettrostatica, e infine l'interazione tra lo spin dell'elettrone e la sua rotazione orbitale.
"Abbiamo scoperto che accoppiare lo spin al momento angolare orbitale rallenta gli elettroni a tal punto che diventano sensibili alla presenza l'uno dell'altro, consolidando l'ingorgo." ha detto Zwartsenberg. "La riduzione dell'accoppiamento spin-orbita a sua volta facilita l'ingorgo e siamo stati in grado di dimostrare una transizione da un isolante a un metallo per la prima volta utilizzando questa strategia".
"Questo è un risultato davvero entusiasmante a livello di fisica fondamentale, ed espande le potenzialità dell'elettronica moderna, " ha detto il co-autore Andrea Damascelli, investigatore principale e direttore scientifico di SBQMI. "Se possiamo sviluppare una comprensione microscopica di queste fasi della materia quantistica e dei loro fenomeni elettronici emergenti, possiamo sfruttarli progettando materiali quantistici atomo per atomo per nuovi dispositivi elettronici, applicazioni magnetiche e di rilevamento."
