A temperature estremamente basse, la materia spesso si comporta in modo diverso rispetto alle condizioni normali. A temperature solo di pochi gradi sopra lo zero assoluto (-273 gradi Celsius), le particelle fisiche possono rinunciare alla loro indipendenza e fondersi per un breve periodo in un unico oggetto in cui tutte le particelle condividono le stesse proprietà. Tali strutture sono note come condensati di Bose-Einstein, e rappresentano uno speciale stato aggregato della materia.

Un team internazionale di ricercatori guidati dai fisici Dr. Carlos Anton-Solanas e dal professor Christian Schneider dell'Università di Oldenburg è ora riuscito per la prima volta a generare questo insolito stato quantico in complessi di portatori di carica strettamente collegati alle particelle di luce e situati in fogli semiconduttori ultrasottili costituiti da un singolo strato di atomi. Come riporta il team sulla rivista scientifica Materiali della natura , questo processo produce luce simile a quella generata da un laser. Ciò significa che il fenomeno potrebbe essere utilizzato per creare i laser a stato solido più piccoli possibili.

Il lavoro è il risultato di una collaborazione tra i ricercatori di Oldenburg e i gruppi di ricerca del professor Sven Höfling e del professor Sebastian Klembt dell'Università di Würzburg (Germania), Professor Sefaattin Tongay dell'Arizona State University (USA), Professor Alexey Kavokin della Westlake University (Cina), e il professor Takashi Taniguchi e il professor Kenji Watanabe del National Institute of Materials Science di Tsukuba (Giappone).

Lo studio si concentra su quasi particelle che consistono sia di materia che di luce, noti come eccitoni-polaritoni, il prodotto di forti accoppiamenti tra elettroni eccitati nei solidi e particelle leggere (fotoni). Si formano quando gli elettroni vengono stimolati dalla luce laser in uno stato energetico più elevato. Dopo un breve periodo dell'ordine di un trilionesimo di secondo, gli elettroni ritornano al loro stato fondamentale riemettendo particelle luminose.

Quando queste particelle sono intrappolate tra due specchi, possono a loro volta eccitare nuovi elettroni, un ciclo che si ripete finché la particella di luce non fuoriesce dalla trappola. Le particelle ibride luce-materia che si creano in questo processo sono chiamate eccitoni-polaritoni. Combinano proprietà interessanti di elettroni e fotoni e si comportano in modo simile a certe particelle fisiche chiamate bosoni. "I dispositivi in ​​grado di controllare questi nuovi stati della materia luminosa promettono un salto tecnologico rispetto agli attuali circuiti elettronici, " ha detto l'autore principale Anton-Solanas, un ricercatore post-dottorato nel Quantum Materials Group presso l'Istituto di Fisica dell'Università di Oldenburg. Tali circuiti optoelettronici, che funzionano utilizzando la luce invece della corrente elettrica, potrebbe essere migliore e più veloce nell'elaborazione delle informazioni rispetto ai processori di oggi.

Nel nuovo studio, il team guidato da Anton-Solanas e Schneider ha esaminato gli eccitoni-polaritoni in cristalli ultrasottili costituiti da un singolo strato di atomi. Questi cristalli bidimensionali hanno spesso proprietà fisiche insolite. Per esempio, il materiale semiconduttore qui utilizzato, diseleniuro di molibdeno, è altamente reattivo alla luce.

I ricercatori hanno costruito fogli di diseleniuro di molibdeno spessi meno di un nanometro (un miliardesimo di metro) e hanno inserito il cristallo bidimensionale tra due strati di altri materiali che riflettono le particelle di luce come fanno gli specchi. "Questa struttura agisce come una gabbia per la luce, " ha spiegato Anton-Solanas. I fisici la chiamano "microcavità".

Anton-Solanas e i suoi colleghi hanno raffreddato la loro configurazione a pochi gradi sopra lo zero assoluto e hanno stimolato la formazione di eccitoni-polaritoni utilizzando brevi impulsi di luce laser. Al di sopra di una certa intensità hanno osservato un improvviso aumento delle emissioni luminose dal loro campione. Questo, insieme ad altre prove, ha permesso loro di concludere che erano riusciti a creare un condensato di Bose-Einstein da eccitoni-polaritoni.

"In teoria, questo fenomeno potrebbe essere utilizzato per costruire sorgenti luminose coerenti basate su un solo strato di atomi, ", ha affermato Anton-Solanas. "Ciò significherebbe che abbiamo creato il laser a stato solido più piccolo possibile". I ricercatori sono fiduciosi che con altri materiali l'effetto potrebbe essere prodotto anche a temperatura ambiente, in modo che a lungo termine sarebbe adatto anche per applicazioni pratiche. I primi esperimenti del team diretti in questa direzione hanno già avuto successo.