A sinistra:gli elettroni che si muovono attraverso un breve, stretto filo di nano esperienza questo come un viaggio attraverso un passo di montagna. A destra:immagine al microscopio elettronico del dispositivo con un nanocavo regolabile. Gli elettroni si muovono da sinistra a destra sotto la superficie di un semiconduttore (scuro). La forma precisa del nanocanale può essere impostata applicando una tensione elettrica agli elettrodi sulla superficie.
Gli scienziati di Groningen hanno trovato una spiegazione per un mistero che sconcerta la comunità dei fisici dal 1995. Nella rivista scientifica Natura giovedì 28 agosto (pubblicazione anticipata online), spiegano perché gli elettroni passano attraverso fili molto piccoli (noti come contatti a punti quantici) meno agevolmente del previsto. Le osservazioni del gruppo guidato dal Prof. C.H. van der Wal dello Zernike Institute for Advanced Materials dell'Università di Groningen influenzerà l'elettronica su scala nanometrica:"Finora il nostro pensiero su questo è stato troppo ingenuo".
Il mistero riguarda i nanofili larghi un centinaio di atomi. Già nel 1988, il fisico olandese Bart van Wees, attualmente professore allo Zernike Institute, scoperto un effetto notevole in questo tipo di filo. Quando li fece più larghi, il flusso non è aumentato gradualmente ma in modo graduale. Van der Wal:'Questo potrebbe essere spiegato dagli effetti quantistici che si sono verificati nei fili. C'è una formula che descrive esattamente come avvengono questi passaggi.'
Picco inaspettato
Però, nel primo passo, con i fili più sottili, una piccola eccezione nel graduale aumento è stata costantemente riscontrata. 'Vedi un picco inaspettato, dopo di che la conduzione aumenta meno rapidamente del previsto per un po'. Questo era già stato notato nella prima pubblicazione a riguardo di Van Wees, ma inizialmente i ricercatori pensavano che l'incongruenza fosse dovuta a piccoli difetti nel materiale utilizzato.' Nel 1995 è stato dimostrato che non era così. 'Il picco era reale, il che significava che si stavano verificando processi fisici che non comprendevamo correttamente.' Sul fenomeno sono apparse centinaia di pubblicazioni, nota come "Anomalia di polarizzazione zero" (ZBA), ma nessuno riusciva a capire cosa lo stesse causando.
Alcuni anni fa, uno dei dottorandi di Van der Wal ha realizzato un certo numero di questo tipo di filo quantistico. «Erano destinati a un tipo di ricerca completamente diverso. Però, abbiamo osservato il picco e alcune altre tendenze interessanti.' Van der Wal ha deciso di avviare un progetto di ricerca separato.
Passo di montagna
Uno studente di dottorato pakistano, Javaid Iqbal, ha creato un gran numero di questo tipo di filo quantistico. Oltre ai fili "ordinari" la cui larghezza è adattabile, fece anche fili la cui lunghezza poteva essere variata. I fili, in particolare, sono molto diversi dai classici cavi elettrici della nostra vita quotidiana (un nucleo conduttore circondato da materiale isolante), ma sono costituiti da un semiconduttore su cui gli elettrodi controllano il bordo di un minuscolo canale. Gli elettrodi creano un "potenziale del punto di sella", una sorta di minuscolo valico di montagna dove gli elettrodi su entrambi i lati controllano pareti ripide.
Van der Wal:'Abbiamo visto il picco che tutti gli altri stavano trovando. Ma quando abbiamo aumentato la tensione attraverso il filo, improvvisamente ci fu un doppio picco. Lo avevano notato anche altri, ma pensavano che indicasse che il loro filo non funzionava più correttamente». Lavorando in circostanze estremamente controllate, una frazione sopra lo zero assoluto della temperatura, utilizzando materiale estremamente puro e testando un gran numero di fili, Il gruppo di Van der Wal ha saputo dimostrare che il fenomeno è reale. "E abbiamo scoperto che l'aspetto dello ZBA non dipendeva solo dal voltaggio, ma anche sulla lunghezza del filo».
Molti fisici del corpo
Van der Wal ha contattato fisici teorici che lavoravano alla ZBA da anni, in particolare un gruppo in Israele che aveva previsto l'esistenza di un doppio picco. "Ma non avevano previsto che dipendesse anche dalla lunghezza." Insieme ai colleghi di Germania e Spagna, hanno trovato una spiegazione al fenomeno. "Ora pensiamo che gli elettroni rimangano intrappolati in cima al "passo di montagna" che forma il filo quantico, ' spiega Van der Wal.
Gli elettroni che fluiscono attraverso il filo si comportano come onde quantistiche. 'Si battono contro i muri, e talvolta riflettono dai fianchi del passo di montagna. Sentono anche la presenza l'uno dell'altro.' Ciò si traduce in una complessa interazione di vari fenomeni fisici. 'Noi chiamiamo questo "molti corpi fisici". È molto complesso. Non puoi descrivere come procedono tutte le interazioni con un singolo, formula semplice.' Però, il risultato finale è che un elettrone è intrappolato in cima al passo di montagna o, nelle parole dei fisici, diventa localizzato. Ciò influenza la conduttività dei fili e provoca strani picchi. "E con fili più lunghi due o più elettroni possono essere localizzati, che si traduce in picchi doppi o addirittura tripli.'
Più complesso
"Quello che ora sappiamo è che il comportamento degli elettroni in questo tipo di filo quantistico è molto più complesso di quanto pensassimo. Questo ha tutti i tipi di conseguenze.' Le caratteristiche degli elettroni che passano attraverso un tale filo, per esempio il loro spin (il moto di precessione degli elettroni), può cambiare nel filo. "È qualcosa di cui devi tener conto." I fili quantistici sono spesso usati nella ricerca, ad esempio quando si creano punti quantici (utilizzati come bit durante la costruzione di un computer quantistico).
Oltre all'articolo di Van der Wal e dei suoi colleghi, Natura pubblicherà un altro articolo su ZBA giovedì, con molte delle stesse conclusioni. «Il mistero è quindi quasi risolto. Gli ultimi dettagli si tradurranno in discussioni interessanti, anche se', commenta entusiasta Van der Wal.
