I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono riusciti a osservare un cristallo composto solo da elettroni. Tali cristalli di Wigner erano già stati previsti quasi novant'anni fa, ma solo ora possono essere osservati direttamente in un materiale semiconduttore.

I cristalli hanno affascinato le persone attraverso i secoli. Chi non ha mai ammirato i complessi schemi di un fiocco di neve ad un certo punto, o le superfici perfettamente simmetriche di un cristallo di rocca? La magia non si ferma anche se si sa che tutto questo risulta da un semplice gioco di attrazione e repulsione tra atomi ed elettroni. Un team di ricercatori guidati da Ataç Imamoğlu, professore all'Istituto per l'elettronica quantistica dell'ETH di Zurigo, ora hanno prodotto un cristallo molto speciale. A differenza dei normali cristalli, è costituito esclusivamente da elettroni. Così facendo, hanno confermato una previsione teorica che è stata fatta quasi novant'anni fa e che da allora è stata considerata una sorta di santo graal della fisica della materia condensata. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Natura .

Una previsione vecchia di decenni

"Ciò che ci ha entusiasmato di questo problema è la sua semplicità, " dice Imamoğlu. Già nel 1934 Eugene Wigner, uno dei fondatori della teoria delle simmetrie in meccanica quantistica, ha mostrato che gli elettroni in un materiale potrebbero teoricamente disporsi in modo regolare, modelli simili a cristalli a causa della loro reciproca repulsione elettrica. Il ragionamento alla base di questo è abbastanza semplice:se l'energia della repulsione elettrica tra gli elettroni è maggiore della loro energia di movimento, si organizzeranno in modo tale che la loro energia totale sia la più piccola possibile.

Per diversi decenni, però, questa previsione è rimasta puramente teorica, poiché quei "cristalli di Wigner" possono formarsi solo in condizioni estreme come basse temperature e un numero molto piccolo di elettroni liberi nel materiale. Ciò è in parte dovuto al fatto che gli elettroni sono molte migliaia di volte più leggeri degli atomi, il che significa che la loro energia di movimento in una disposizione regolare è tipicamente molto maggiore dell'energia elettrostatica a causa dell'interazione tra gli elettroni.

Elettroni in un piano

Per superare quegli ostacoli, Imamoğlu e i suoi collaboratori hanno scelto uno strato sottilissimo del materiale semiconduttore diseleniuro di molibdeno che è spesso solo un atomo e in cui, perciò, gli elettroni possono muoversi solo su un piano. I ricercatori potrebbero variare il numero di elettroni liberi applicando una tensione a due elettrodi di grafene trasparenti, tra cui è inserito il semiconduttore. Secondo considerazioni teoriche le proprietà elettriche del diseleniuro di molibdeno dovrebbero favorire la formazione di un cristallo di Wigner, a condizione che l'intero apparato sia raffreddato a pochi gradi sopra lo zero assoluto di meno 273,15 gradi Celsius.

Però, solo produrre un cristallo Wigner non è abbastanza. "Il problema successivo era dimostrare che avevamo effettivamente i cristalli Wigner nel nostro apparato, "dice Tomasz Smoleński, che è l'autore principale della pubblicazione e lavora come postdoc nel laboratorio di Imamoğlu. La separazione tra gli elettroni è stata calcolata in circa 20 nanometri, o circa trenta volte inferiore alla lunghezza d'onda della luce visibile e quindi impossibile da risolvere anche con i migliori microscopi.

Rilevamento tramite eccitoni

Usando un trucco, i fisici riuscirono a rendere visibile la disposizione regolare degli elettroni nonostante quella piccola separazione nel reticolo cristallino. Fare così, usavano la luce di una particolare frequenza per eccitare i cosiddetti eccitoni nello strato semiconduttore. Gli eccitoni sono coppie di elettroni e "buchi" che risultano da un elettrone mancante in un livello energetico del materiale. La precisa frequenza della luce per la creazione di tali eccitoni e la velocità con cui si muovono dipendono sia dalle proprietà del materiale che dall'interazione con altri elettroni nel materiale, con un cristallo di Wigner, ad esempio.

La disposizione periodica degli elettroni nel cristallo dà luogo a un effetto che a volte può essere visto in televisione. Quando una bicicletta o un'auto vanno sempre più veloci, al di sopra di una certa velocità le ruote sembrano ferme e poi girano nella direzione opposta. Questo perché la fotocamera scatta un'istantanea della ruota ogni 40 millisecondi. Se in quel tempo i raggi regolarmente distanziati della ruota si sono spostati esattamente della distanza tra i raggi, la ruota sembra non girare più. Allo stesso modo, in presenza di un cristallo Wigner, gli eccitoni in movimento appaiono fermi purché si muovano ad una certa velocità determinata dalla separazione degli elettroni nel reticolo cristallino.

Prima osservazione diretta

"Un gruppo di fisici teorici guidati da Eugene Demler dell'Università di Harvard, chi si trasferisce all'ETH quest'anno, aveva calcolato teoricamente come quell'effetto dovrebbe manifestarsi nelle frequenze di eccitazione osservate degli eccitoni, ed è esattamente quello che abbiamo osservato in laboratorio, " dice Imamoğlu. In contrasto con i precedenti esperimenti basati su semiconduttori planari, in cui i cristalli di Wigner sono stati osservati indirettamente attraverso misurazioni di corrente, questa è una conferma diretta della disposizione regolare degli elettroni nel cristallo. Nel futuro, con il loro nuovo metodo Imamoğlu ei suoi colleghi sperano di studiare esattamente come si formano i cristalli di Wigner da un "liquido" disordinato di elettroni.