Per circa 50 anni gli scienziati hanno lavorato per sfruttare le oscillazioni di Bloch, un tipo esotico di comportamento degli elettroni che potrebbe introdurre un nuovo campo della fisica - e nuove importanti tecnologie - proprio come il comportamento elettronico più convenzionale ha portato a tutto, dagli orologi intelligenti ai computer abbastanza potenti da portarci sulla Luna.

Ora, I fisici del MIT riferiscono di un nuovo approccio per ottenere le oscillazioni di Bloch nei superreticoli di grafene introdotti di recente. Grafene, un materiale composto da un unico strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d'ape, è un ottimo conduttore di elettricità. Le sue proprietà elettroniche subiscono un'interessante trasformazione in presenza di una "maglia elettrica" ​​(un potenziale periodico), con conseguente nuovi tipi di comportamento degli elettroni non visti nei materiali incontaminati. In un recente numero di Lettere di revisione fisica , gli scienziati spiegano perché i superreticoli di grafene possono cambiare le regole del gioco nella ricerca delle oscillazioni di Bloch.

Normalmente, gli elettroni esposti ad un campo elettrico costante accelerano in linea retta. Però, la meccanica quantistica prevede che gli elettroni in un cristallo, o materiale composto da atomi disposti in modo ordinato, può comportarsi diversamente. In caso di esposizione a un campo elettrico, possono oscillare in minuscole onde, oscillazioni di Bloch. "Questo comportamento sorprendente è un esempio iconico di dinamica coerente nei sistemi quantistici a molti corpi, "dice Leonid Levitov, un professore di fisica del MIT e leader del lavoro attuale. Levitov è anche affiliato al Materials Research Laboratory del MIT.

Altri autori sono Ali Fahimniya e Zhiyu Dong, entrambi studenti laureati del MIT in fisica, ed Egor I. Kiselev del Karlsruher Institut fur Technologie.

Verso nuove applicazioni

È importante sottolineare che Le oscillazioni di Bloch si verificano ad un valore di frequenza uguale per tutti gli elettroni ed è sintonizzabile dal campo elettrico applicato. Ulteriore, valori di frequenza tipici:nell'intervallo dei terahertz, o trilioni di cicli al secondo, rientrano nell'intervallo a cui è difficile accedere con i mezzi convenzionali. L'elettronica e l'ottica odierne funzionano a frequenze inferiori e superiori ai terahertz, rispettivamente. "Le frequenze terahertz sono una via di mezzo, e non ne stiamo beneficiando tanto quanto dal resto dello spettro, " dice Levitov. "Se potessimo accedervi facilmente, potrebbero esserci molte applicazioni, che vanno da una migliore scansione di sicurezza non invasiva negli aeroporti a nuovi progetti di elettronica".

A causa della fisica interessante e delle potenziali applicazioni delle oscillazioni di Bloch, nel corso degli anni molti scienziati hanno cercato di dimostrare il comportamento. oscillazioni di Bloch, però, sono molto sensibili ai processi di dispersione nel materiale dovuti a vibrazioni reticolari (fononi) e disordine. Di conseguenza, sebbene il lavoro precedente volto a creare oscillazioni di Bloch fosse estremamente importante:un approccio, affidandosi a superreticoli semiconduttori, ha portato a un premio Nobel e ai moderni laser a stato solido, ha incontrato solo un successo limitato verso il suo obiettivo originale. "La gente ha visto le firme delle oscillazioni di Bloch in questi sistemi, ma non al livello che sarebbe utile per qualcosa di pratico. C'era inevitabilmente qualche sfasamento, che si è rivelato piuttosto schiacciante [per il fenomeno], "Dice Levitov.

Un nuovo materiale

Inserisci un nuovo materiale noto come grafene moiré. Lanciato al MIT dal professore di fisica Pablo Jarillo-Herrero, il grafene moiré è composto da due fogli di strati atomicamente sottili di grafene posti uno sopra l'altro e ruotati con una leggera angolazione. "E secondo la teoria, questo materiale dovrebbe essere un candidato ideale per vedere le oscillazioni di Bloch, " dice Levitov. Nel recente articolo, lui e i suoi colleghi hanno analizzato i parametri del materiale che influenzano il modo in cui gli elettroni si muovono al suo interno e quanto poco disordine ha, e "dimostriamo che su tutti i conti, il grafene moiré è buono quanto i superreticoli semiconduttori, o meglio."

Per di più, di recente sono apparse altre interessanti varietà di superreticoli, che coinvolge grafene accoppiato con nitruro di boro esagonale, o con superreticoli dielettrici modellati. Tra gli ulteriori vantaggi, i superreticoli di grafene sono molto più facili da realizzare rispetto alle complesse strutture chiave del lavoro precedente. "Quei sistemi sono stati prodotti solo da pochi gruppi altamente qualificati in tutto il mondo, " dice Levitov. Il grafene Moiré è già prodotto da diversi gruppi solo negli Stati Uniti, e molti altri in tutto il mondo.

Finalmente, Levitov e colleghi dicono, il grafene moiré soddisfa un altro importante criterio per rendere pratiche le oscillazioni di Bloch. Mentre gli elettroni coinvolti nelle oscillazioni lo fanno alla stessa frequenza terahertz, senza un piccolo aiuto lo faranno in modo indipendente. La chiave è convincerli a oscillare in sincronia. "Se puoi farlo, quindi si passa essenzialmente da un fenomeno di un elettrone a oscillazioni macroscopiche che saranno facilmente rilevabili e molto utilizzabili perché diventeranno una sorgente di corrente macroscopica, " Dice Levitov. Gli scienziati ritengono che gli elettroni nel grafene moiré dovrebbero essere abbastanza suscettibili di sincronizzazione utilizzando tecniche standard.

Dmitri Basov, Higgins Professor e Cattedra di Fisica presso la Columbia University, Commenti, "Come molte altre previsioni di Leonid Levitov e della sua squadra, questo nuovo risultato sulle oscillazioni di Bloch motiverà sicuramente numerosi studi sperimentali. Prevedo che non sarà facile osservare le oscillazioni di Bloch nei sistemi a banda piatta moiré, ma ci proveremo sicuramente." Basov non è stato coinvolto nel lavoro riportato in Lettere di revisione fisica .

Levitov è entusiasta di continuare il lavoro, che includerà studenti del MIT. "La parte migliore di questo verrà più tardi quando vedremo risultati sperimentali che confermano l'idea, " lui dice.