Illustrazione artistica del motivo, noto come moiré dal tessuto francese, che si sviluppa nel materiale ritorto e stratificato creato dal team. Questo modello è la chiave per produrre gli insoliti comportamenti degli elettroni quantistici scoperti. Credito:JF Podevin per il Dipartimento di Fisica dell'Università di Princeton.
Un recente esperimento dettagliato sulla rivista Nature mette in discussione la nostra immagine di come si comportano gli elettroni nei materiali quantistici. Utilizzando strati sovrapposti di un materiale chiamato ditelluride di tungsteno, i ricercatori hanno osservato che gli elettroni in due dimensioni si comportano come se si trovassero in un'unica dimensione e nel processo hanno creato quello che i ricercatori affermano essere un nuovo stato elettronico della materia.
"Questo è davvero un orizzonte completamente nuovo", ha affermato Sanfeng Wu, assistente professore di fisica all'Università di Princeton e autore senior dell'articolo. "Siamo stati in grado di creare una nuova fase elettronica con questo esperimento, in pratica un nuovo tipo di stato metallico."
La nostra attuale comprensione del comportamento degli elettroni interagenti nei metalli può essere descritta da una teoria che funziona bene con i sistemi bidimensionali e tridimensionali, ma si rompe quando si descrive l'interazione degli elettroni in una singola dimensione.
"Questa teoria descrive la maggior parte dei metalli che conosciamo", ha detto Wu. "Afferma che gli elettroni nel metallo, sebbene interagiscono fortemente, dovrebbero comportarsi come elettroni liberi, tranne per il fatto che possono avere valori diversi in alcune quantità caratteristiche, come la massa e il momento magnetico."
Nei sistemi unidimensionali, tuttavia, questa "teoria del liquido di Fermi" lascia il posto a un'altra teoria, "la teoria del liquido di Luttinger", per descrivere l'interazione tra gli elettroni.
"La teoria del liquido di Luttinger fornisce un punto di partenza di base per comprendere gli elettroni interagenti in una dimensione", ha affermato Wu. "Gli elettroni in un reticolo unidimensionale sono così fortemente correlati tra loro che, in un certo senso, iniziano a non agire come elettroni liberi."
La teoria del liquido di Fermi è stata avanzata per la prima volta dal premio Nobel L.D. Landò. La teoria di Luttinger ha attraversato un lungo processo di perfezionamento prima di essere ampiamente accettata dai fisici. Un modello teorico è stato proposto per la prima volta dal premio Nobel giapponese Shinichiro Tomonaga negli anni '50, ha detto Wu, ed è stato formulato in modo indipendente da JM Luttinger più tardi nel 1963.
Luttinger, tuttavia, fornì una soluzione inadeguata e così il matematico e fisico di Princeton Elliott Lieb, oggi professore emerito di fisica Eugene Higgins, raccolse la sfida nel 1965, fornendo infine una soluzione corretta. Un altro fisico e premio Nobel, F. Duncan Haldane, professore di fisica della Sherman Fairchild University di Princeton, ha poi utilizzato il modello nel 1981 per comprendere gli effetti di interazione dei metalli unidimensionali. Haldane ha coniato il termine "liquidi Luttinger" e ha gettato le basi per la moderna teoria dei liquidi Luttinger come descrizione generale dei metalli unidimensionali.
Per molto tempo, queste due teorie, la teoria del liquido di Fermi e la teoria del liquido di Luttinger, sono state al centro della nostra comprensione del comportamento degli elettroni nella fisica della materia condensata, in base alla loro dimensionalità.
Ma ci sono stati indizi che le interazioni degli elettroni sono molto più complesse di questa semplice classificazione. Philip Anderson, un altro premio Nobel e fisico di Princeton, ha proposto negli anni '90 che potrebbero esserci alcuni casi "esotici" in cui il comportamento degli elettroni nei sistemi bidimensionali, in rare occasioni, potrebbe anche seguire le previsioni della teoria dei liquidi di Luttinger. In altre parole, sebbene gli elettroni nei sistemi bidimensionali siano tipicamente spiegati dalla teoria del liquido di Fermi, Anderson si chiedeva se quegli elettroni potessero comportarsi controintuitivamente come un liquido di Luttinger, come se si trovassero in un sistema unidimensionale.
Questo era in gran parte ipotetico. Non c'erano esperimenti che potessero essere collegati a questi casi esotici, ha detto Wu.
Fino ad ora.
I ricercatori hanno creato un dispositivo fatto di tungsteno (W) e tellururo (Te) in due strati cristallini impilati uno sopra l'altro e attorcigliati l'uno rispetto all'altro di pochi gradi. Il risultante ditelluride di tungsteno a doppio strato contorto mostrava proprietà strane e inaspettate. Credito:Pengjie Wang
Attraverso la sperimentazione, Wu e il suo team hanno scoperto che gli elettroni in una struttura materiale bidimensionale appositamente creata, una volta raffreddati a temperature molto basse, iniziavano improvvisamente a comportarsi come previsto dalla teoria del liquido di Luttinger. In altre parole, si comportavano come elettroni correlati in uno stato unidimensionale.
I ricercatori hanno condotto il loro esperimento utilizzando un materiale chiamato ditelluride di tungsteno (WTe2 ), un semimetallo stratificato. Un semimetallo è un composto che ha proprietà intermedie che lo pongono tra metalli e isolanti. I ricercatori di Princeton Leslie Schoop, assistente professore di chimica, e Robert Cava, il professore di chimica Russell Wellman Moore, e i loro team hanno creato cristalli di ditelluride di tungsteno della massima qualità. Il team di Wu ha quindi creato singoli strati atomici di questo materiale e ne ha impilati due insieme verticalmente per lo studio.
"Abbiamo impilato monostrati di ditelluride di tungsteno uno sopra l'altro e utilizzato un angolo di rotazione di 5 o 6 gradi", ha affermato Pengjie Wang, co-primo autore del documento e ricercatore post-dottorato. Questo ha creato un grande reticolo rettangolare chiamato motivo moiré, che ricorda un comune disegno tessile francese.
Il team aveva originariamente intenzione di osservare come l'angolo di torsione avrebbe influenzato gli altri tipi di fenomeni quantistici nel ditelluride di tungsteno. Ma quello che hanno trovato li ha stupiti.
"All'inizio, eravamo confusi dai risultati", ha detto Wang. "Ma si è rivelato giusto."
I ricercatori hanno osservato che gli elettroni, invece di agire liberamente, iniziavano a riunirsi fortemente in una matrice lineare indicativa di elettroni in un sistema unidimensionale.
"Quello che hai qui è davvero uno stato metallico bidimensionale che non è descritto dalla teoria del liquido di Fermi standard", ha detto Wu. "Per la prima volta, troviamo una fase elettronica completamente nuova della materia in due dimensioni descritta dalla teoria del liquido di Luttinger".
Guo Yu, co-primo autore dell'articolo e studente laureato in ingegneria elettrica e informatica, ha descritto le proprietà del materiale come notevolmente commutabili tra uniformi in tutte le direzioni (isotropiche) o fortemente variabili nelle proprietà fisiche quando misurate in direzioni diverse ( anisotropo).
"Ciò che è unico per il nostro sistema di ditelluride di tungsteno a doppio strato contorto è che, a differenza della maggior parte degli altri materiali monostrato e dei loro superreticoli moiré che sono isotropi, il motivo moiré nel nostro campione è altamente anisotropo, fondamentale per ospitare la fisica unidimensionale", Yu detto.
Una nuova fase metallica potrebbe sembrare che avrebbe numerose applicazioni pratiche, ma Wu ha avvertito che si tratta di una ricerca preliminare. Prima che tali applicazioni possano essere realizzate, ha affermato, è necessario svolgere un lavoro aggiuntivo.
Tuttavia Wu è ottimista riguardo al futuro. "Questo potrebbe aiutare ad aprire una finestra completamente nuova per esaminare le nuove fasi quantistiche della materia", ha affermato. "Nei prossimi anni, vedremo molte nuove scoperte che emergono da questa ricerca". + Esplora ulteriormente
