I fisici dell'Università di Ratisbona hanno coreografato lo spostamento di un livello di energia elettronica quantizzata con oscillazioni atomiche più veloci di un trilionesimo di secondo.

Lanciando una palla in aria, è possibile trasferire energia arbitraria alla palla in modo che voli più in alto o più in basso. Una delle stranezze della fisica quantistica è che le particelle, ad esempio gli elettroni, spesso possono assumere solo valori energetici quantizzati, come se la palla saltasse tra altezze specifiche, come i gradini di una scala, invece di volare continuamente.

I qubit, i computer quantistici e i punti quantici che emettono luce (Premio Nobel 2023) sfruttano questo principio. Tuttavia, i livelli di energia elettronica possono essere spostati dalle collisioni con altri elettroni o atomi. I processi nel mondo quantistico di solito avvengono su scala atomica e sono anche incredibilmente veloci.

Utilizzando un nuovo tipo di microscopio ultraveloce, un team di Ratisbona è ora riuscito a osservare direttamente con risoluzione atomica su scale temporali ultraveloci come l’energia di un singolo elettrone viene sintonizzata dalle vibrazioni degli atomi circostanti. Sorprendentemente, sono stati anche in grado di controllare specificamente questo processo. Tali scoperte potrebbero essere cruciali per lo sviluppo di tecnologie quantistiche superveloci.

I fisici hanno utilizzato un materiale atomicamente sottile per studiare come cambia un livello energetico discreto quando questo strato atomico si muove su e giù come la membrana di un tamburo. Lo hanno osservato in un posto vacante:il vuoto lasciato quando un singolo atomo viene rimosso.

Tali cristalli bidimensionali atomicamente sottili, noti per le loro proprietà elettroniche versatili e personalizzabili, sono particolarmente interessanti per la futura nanoelettronica. I posti vacanti in un cristallo sono candidati promettenti per i qubit, i portatori di informazioni elementari dei computer quantistici, poiché hanno livelli di energia elettronica discreti proprio come gli atomi.

I ricercatori hanno scoperto che possono modificare un livello energetico discreto del difetto innescando una vibrazione a tamburo della membrana atomicamente sottile:il movimento atomico degli atomi circostanti si sposta e quindi controlla il livello energetico della vacanza. Questi risultati sono stati pubblicati su Nature Photonics .

Per fare questa scoperta rivoluzionaria, i ricercatori hanno dovuto superare diversi ostacoli. Per osservare i livelli energetici localizzati atomicamente e la loro dinamica è necessaria una risoluzione atomica di 1 Ångström. Inoltre, il movimento nel nanomondo è estremamente veloce.

"Per monitorare come cambia il livello di energia, è necessario scattare istantanee stroboscopiche del livello di energia, e ciascuna istantanea viene registrata in meno di un trilionesimo di secondo, più velocemente dei picosecondi", spiega la prima autrice Carmen Roelcke.

Tutte queste sfide sono state affrontate dal team formato da Carmen Roelcke, Lukas Kastner e Yaroslav Gerasimenko in un metodo elaborato che sfrutta l'energia e la risoluzione spaziale di un microscopio a scansione tunnel. Allo stesso tempo, l'uso di impulsi laser ultracorti personalizzati consente di registrare la dinamica estremamente veloce al rallentatore. L'esperienza combinata dei gruppi di Jascha Repp e Rupert Huber ha creato la sinergia decisiva per la necessaria spettroscopia ultraveloce su scala atomica.

"Con il nostro nuovo approccio, siamo in grado di decifrare il movimento strutturale della membrana del tamburo atomico e lo spostamento del livello energetico localizzato al rallentatore", afferma Yaroslav Gerasimenko. I calcoli dei principi primi di Maximilian Graml e Jan Wilhelm spiegano in modo conclusivo come gli atomi nello strato atomicamente sottile si muovono durante l'oscillazione e come questo può influenzare i livelli energetici discreti.

Il lavoro del team di Regensburg stabilisce una nuova era nello studio della dinamica dei livelli energetici localizzati atomicamente e della loro interazione con l'ambiente. Questa scoperta consente il controllo locale di livelli energetici discreti nel modo più diretto. Ad esempio, il movimento dei singoli atomi potrebbe modificare la struttura energetica di un materiale e quindi creare nuove funzionalità o modificare in modo specifico le proprietà dei semiconduttori e delle molecole che emettono luce.

Grazie alla combinazione senza precedenti di estrema risoluzione spaziale, temporale ed energetica, è a portata di mano una comprensione più profonda di processi fondamentali come l’interazione locale degli elettroni con le vibrazioni del reticolo. Inoltre, questo approccio potrebbe aiutare a svelare i segreti dei processi chiave dietro le transizioni di fase come la superconduttività ad alta temperatura ancora da comprendere.

Ulteriori informazioni: Carmen Roelcke et al, Spettroscopia di tunneling a scansione ultraveloce su scala atomica di un singolo posto vacante in un cristallo monostrato. Fotonica della natura . DOI:10.1038/s41566-024-01390-6, www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6

Informazioni sul giornale: Fotonica della natura

Fornito dall'Università di Ratisbona