Nel 1934, il fisico Eugene Wigner ha fatto una previsione teorica basata sulla meccanica quantistica che per 87 anni è rimasta invisibile.

La teoria suggeriva come un metallo che normalmente conduce elettricità potrebbe trasformarsi in un isolante non conduttore quando la densità degli elettroni è ridotta. Wigner ha teorizzato che quando gli elettroni nei metalli vengono portati a temperature ultrafredde, questi elettroni sarebbero congelati nelle loro tracce e formerebbero un rigido, struttura non conduttrice di elettricità, un cristallo, invece di sfrecciare a migliaia di chilometri al secondo e creare una corrente elettrica. Da quando l'ha scoperto, la struttura è stata coniata un Wigner Crystal ed è stata osservata per la prima volta nel 1979.

Ciò che è rimasto ostinatamente sfuggente ai fisici, però, è stata la fusione dello stato cristallino in un liquido in risposta alle fluttuazioni quantistiche. Almeno, era:ora, quasi 90 anni dopo, un team di fisici co-guidati da Hongkun Park e Eugene Demler presso la Facoltà di Arti e Scienze ha finalmente documentato sperimentalmente questa transizione.

Il lavoro è descritto in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Natura e segna un grande passo avanti verso la creazione di un sistema per studiare questo tipo di transizioni tra stati della materia a livello quantistico, un obiettivo a lungo agognato in campo.

"Questo è proprio al confine della materia che cambia da materiale parzialmente quantistico a materiale parzialmente classico e ha molti fenomeni e proprietà insoliti e interessanti, " disse Eugene Demler, un autore senior sulla carta. "Il cristallo stesso è stato visto, ma questo, una specie di, transizione incontaminata, quando la meccanica quantistica e le interazioni classiche sono in competizione tra loro, non è stata vista. Ci sono voluti 86 anni".

Guidato da Park e Demler, il team di ricerca si è concentrato sull'osservazione dei cristalli di Wigner e delle loro transizioni di fase nello studio. In chimica, fisica, e termodinamica, le transizioni di fase si verificano quando una sostanza cambia da solida, liquido, o gas in uno stato diverso. Quando le fluttuazioni quantistiche vicine alla temperatura dello zero assoluto guidano queste transizioni, sono chiamate transizioni di fase quantistiche. Si pensa che queste transizioni quantistiche svolgano un ruolo importante in molti sistemi quantistici.

Nel caso di un cristallo Wigner, la transizione cristallo-liquido avviene da una competizione tra gli aspetti classico e quantistico degli elettroni, il primo che domina nella fase solida, in cui gli elettroni sono "simili a particelle, " e quest'ultimo che domina nel liquido, in cui gli elettroni sono "ondeggianti". Per un singolo elettrone, la meccanica quantistica ci dice che la natura particellare e ondulatoria sono complementari.

"È sorprendente che, in un sistema di molti elettroni interagenti, questi diversi comportamenti si manifestano in fasi distinte della materia, " disse Park. "Per questi motivi, la natura della transizione elettrone solido-liquido ha suscitato un enorme interesse teorico e sperimentale".

Gli scienziati di Harvard riferiscono di utilizzare una nuova tecnica sperimentale sviluppata da You Zhou, Jiho Sung, ed Elise Brutschea, ricercatori del Park Research Group e autori principali dell'articolo, per osservare questa transizione da solido a liquido in doppi strati di semiconduttori atomicamente sottili. Generalmente, La cristallizzazione di Wigner richiede una densità elettronica molto bassa, rendendo la sua realizzazione sperimentale una grande sfida sperimentale. Costruendo due strati di elettroni interagenti da due semiconduttori atomicamente sottili, gli sperimentatori hanno creato una situazione in cui la cristallizzazione è stabilizzata a densità più elevate.

Per vedere la transizione, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato spettroscopia degli eccitoni. Usano la luce per eccitare un elettrone nel sistema e legarlo alla vacanza di elettroni, o buco, si lascia alle spalle, formando una coppia elettrone-lacuna simile all'idrogeno nota come eccitone. Questa coppia interagisce con gli altri elettroni nel materiale e ne modifica le proprietà in modo che possano essere visti otticamente.

I risultati del documento sono stati in gran parte accidentali e sono stati una sorpresa, secondo i ricercatori. Il gruppo Park inizialmente si è avviato in una direzione diversa ed è rimasto perplesso quando ha notato che gli elettroni nel loro materiale mostravano un comportamento isolante. Si sono consultati con i teorici del laboratorio di Demler e presto hanno capito cosa avevano.

I ricercatori hanno in programma di utilizzare il loro nuovo metodo per continuare a studiare altre transizioni di fase quantistiche.

"Ora disponiamo di una piattaforma sperimentale in cui tutte queste previsioni [diverse transizioni di fase quantistiche] possono essere testate, " ha detto Demler.