Gli elettroni, le particelle infinitamente piccole note per sfrecciare attorno agli atomi, continuano a stupire gli scienziati nonostante sia trascorso più di un secolo da quando gli scienziati li hanno studiati. Ora, i fisici dell'Università di Princeton hanno ampliato i confini della nostra comprensione di queste minuscole particelle visualizzando, per la prima volta, prove dirette dell'esistenza di quello che è noto come cristallo di Wigner, uno strano tipo di materia composta interamente da elettroni.
La scoperta, pubblicata su Nature, conferma una teoria vecchia di 90 anni secondo cui gli elettroni possono assemblarsi in una propria formazione simile a un cristallo, senza la necessità di coalizzarsi attorno agli atomi. La ricerca potrebbe contribuire alla scoperta di nuove fasi quantistiche della materia quando gli elettroni si comportano collettivamente.
"Il cristallo di Wigner è una delle fasi quantistiche più affascinanti della materia mai previste ed è oggetto di numerosi studi che affermano di aver trovato, nella migliore delle ipotesi, prove indirette della sua formazione", ha affermato Al Yazdani, della James S. McDonnell Distinguished University. Professore di fisica all'Università di Princeton e autore senior dello studio. "Visualizzare questo cristallo ci permette non solo di osservare la sua formazione, confermando molte delle sue proprietà, ma possiamo anche studiarlo in modi che non era possibile in passato."
Negli anni '30, Eugene Wigner, professore di fisica a Princeton e vincitore del Premio Nobel nel 1963 per il suo lavoro sui principi della simmetria quantistica, scrisse un articolo in cui propose l'idea allora rivoluzionaria che l'interazione tra gli elettroni potesse portare alla loro disposizione spontanea in una configurazione simile a un cristallo, o reticolo, di elettroni strettamente raggruppati. Ciò potrebbe verificarsi, teorizzò, solo a causa della loro reciproca repulsione e in condizioni di bassa densità e temperature estremamente fredde.
"Quando si pensa a un cristallo, in genere si pensa all'attrazione tra atomi come a una forza stabilizzante, ma questo cristallo si forma esclusivamente a causa della repulsione tra gli elettroni", ha affermato Yazdani, che è il co-direttore inaugurale del Princeton Quantum Institute e direttore del Princeton Center for Complex Materials.
Per molto tempo, tuttavia, lo strano cristallo elettronico di Wigner rimase nel campo della teoria. Fu solo dopo una serie di esperimenti molto successivi che il concetto di cristallo elettronico si trasformò da congettura a realtà. Il primo di questi fu condotto negli anni '70, quando gli scienziati dei Bell Laboratories nel New Jersey crearono un cristallo elettronico "classico" spruzzando elettroni sulla superficie dell'elio e scoprirono che rispondevano in modo rigido come un cristallo.
Tuttavia, in questi esperimenti gli elettroni erano molto distanti tra loro e si comportavano più come singole particelle che come una struttura coesiva. Un vero cristallo di Wigner, invece di seguire le leggi familiari della fisica nel mondo di tutti i giorni, seguirebbe le leggi della fisica quantistica, in cui gli elettroni non agirebbero come singole particelle ma più come una singola onda.
Ciò portò nei decenni successivi a tutta una serie di esperimenti che proponevano vari modi per creare cristalli quantistici di Wigner. Questi esperimenti furono molto avanzati negli anni '80 e '90, quando i fisici scoprirono come confinare il movimento degli elettroni in strati atomicamente sottili utilizzando semiconduttori.
L'applicazione di un campo magnetico a tali strutture stratificate fa sì che gli elettroni si muovano in circolo, creando condizioni favorevoli per la cristallizzazione. Tuttavia, questi esperimenti non sono mai stati in grado di osservare direttamente il cristallo. Sono riusciti solo a suggerirne l'esistenza o a dedurla indirettamente dal modo in cui gli elettroni fluiscono attraverso il semiconduttore.
"Ci sono letteralmente centinaia di articoli scientifici che studiano questi effetti e affermano che i risultati devono essere dovuti al cristallo di Wigner", ha detto Yazdani, "ma non si può esserne sicuri perché nessuno di questi esperimenti vede effettivamente il cristallo."
Una considerazione altrettanto importante, ha osservato Yazdani, è che ciò che alcuni ricercatori ritengono essere la prova di un cristallo di Wigner potrebbe essere il risultato di imperfezioni o altre strutture periodiche inerenti ai materiali utilizzati negli esperimenti.
"Se ci sono imperfezioni o qualche forma di sottostruttura periodica nel materiale, è possibile intrappolare gli elettroni e trovare tracce sperimentali che non sono dovute alla formazione di un cristallo di Wigner ordinato e auto-organizzato, ma a causa degli elettroni "bloccati" vicino a un'imperfezione o intrappolato a causa della struttura del materiale", ha affermato.
Con queste considerazioni in mente, Yazdani e il suo gruppo di ricerca hanno iniziato a vedere se potevano ottenere direttamente l'immagine del cristallo di Wigner utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), un dispositivo che si basa su una tecnica chiamata "tunnel quantistico" piuttosto che sulla luce per visualizzare il cristallo. mondo atomico e subatomico.
Hanno anche deciso di utilizzare il grafene, un materiale straordinario scoperto nel 21° secolo e utilizzato in molti esperimenti che coinvolgono nuovi fenomeni quantistici. Per condurre con successo l’esperimento, tuttavia, i ricercatori hanno dovuto rendere il grafene il più incontaminato e privo di imperfezioni possibile. Questo è stato fondamentale per eliminare la possibilità che si formassero cristalli di elettroni a causa delle imperfezioni del materiale.
I risultati sono stati impressionanti. "Il nostro gruppo è stato in grado di realizzare campioni puliti senza precedenti che hanno reso possibile questo lavoro", ha affermato Yazdani. "Con il nostro microscopio possiamo confermare che i campioni sono privi di imperfezioni atomiche nel reticolo atomico del grafene o di atomi estranei sulla sua superficie su regioni con centinaia di migliaia di atomi."
Per produrre grafene puro, i ricercatori hanno esfoliato due fogli di carbonio di grafene in una configurazione chiamata grafene a doppio strato impilato Bernal (BLG). Hanno quindi raffreddato il campione a temperature estremamente basse – appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto – e applicato un campo magnetico perpendicolare al campione, che ha creato un sistema di gas di elettroni bidimensionale all’interno dei sottili strati di grafene. In questo modo, hanno potuto regolare la densità degli elettroni tra i due strati.
"Nel nostro esperimento, possiamo immaginare il sistema mentre sintonizziamo il numero di elettroni per unità di area", ha detto Yen-Chen Tsui, uno studente laureato in fisica e primo autore dell'articolo. "Semplicemente cambiando la densità, puoi avviare questa transizione di fase e scoprire che gli elettroni si formano spontaneamente in un cristallo ordinato."
Ciò accade, ha spiegato Tsui, perché a basse densità gli elettroni sono molto distanti gli uni dagli altri e sono situati in modo disordinato e disorganizzato. Tuttavia, quando si aumenta la densità, che avvicina gli elettroni, entrano in gioco le loro naturali tendenze repulsive e iniziano a formare un reticolo organizzato. Quindi, aumentando ulteriormente la densità, la fase cristallina si scioglierà in un liquido elettronico.
Minhao He, ricercatore post-dottorato e co-primo autore dell'articolo, ha spiegato questo processo in maggior dettaglio. "C'è una repulsione intrinseca tra gli elettroni", ha detto. "Vogliono allontanarsi a vicenda, ma nel frattempo gli elettroni non possono essere infinitamente separati a causa della densità finita. Il risultato è che formano una struttura reticolare regolarizzata e fitta, in cui ciascuno degli elettroni localizzati occupa una certa quantità di spazio."
Quando si è formata questa transizione, i ricercatori sono stati in grado di visualizzarla utilizzando l’STM. "Il nostro lavoro fornisce le prime immagini dirette di questo cristallo. Abbiamo dimostrato che il cristallo è realmente lì e possiamo vederlo", ha detto Tsui.
Tuttavia, la semplice visualizzazione del cristallo non rappresentava la fine dell'esperimento. Un'immagine concreta del cristallo ha permesso loro di distinguere alcune delle caratteristiche del cristallo. Hanno scoperto che il cristallo ha una configurazione triangolare e che può essere continuamente sintonizzato con la densità delle particelle. Ciò ha portato alla realizzazione che il cristallo di Wigner è in realtà abbastanza stabile su un intervallo molto lungo, una conclusione contraria a quanto molti scienziati avevano supposto.
"Potendo regolare continuamente la costante reticolare, l'esperimento ha dimostrato che la struttura cristallina è il risultato della pura repulsione tra gli elettroni", ha affermato Yazdani.
I ricercatori hanno anche scoperto molti altri fenomeni interessanti che senza dubbio richiederanno ulteriori indagini in futuro. Hanno scoperto che la posizione in cui è localizzato ciascun elettrone nel reticolo appare nelle immagini con una certa quantità di "sfocatura", come se la posizione non fosse definita da un punto ma da una posizione nell'intervallo in cui gli elettroni sono confinati nel reticolo. . L'articolo descriveva questo fenomeno come il movimento del "punto zero" degli elettroni, un fenomeno legato al principio di indeterminazione di Heisenberg. L'entità di questa sfocatura riflette la natura quantistica del cristallo di Wigner.
"Gli elettroni, anche se congelati in un cristallo di Wigner, dovrebbero mostrare un forte movimento del punto zero", ha detto Yazdani. "Si scopre che questo movimento quantistico copre un terzo della distanza tra loro, rendendo il cristallo di Wigner un nuovo cristallo quantistico."
Yazdani e il suo team stanno anche esaminando il modo in cui il cristallo di Wigner si scioglie e si trasforma in altre fasi liquide esotiche di elettroni interagenti in un campo magnetico. I ricercatori sperano di immaginare queste fasi proprio come hanno immaginato il cristallo di Wigner.
Ulteriori informazioni: Ali Yazdani, Osservazione diretta di un cristallo di Wigner indotto da un campo magnetico, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07212-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07212-7
Informazioni sul giornale: Natura
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