Il buon senso potrebbe imporre che un oggetto si muova da un punto all'altro, deve attraversare tutti i punti del percorso.

"Immagina qualcuno che guidi da Kansas City a Topeka sulla I-70:è sicuro dire che deve essere a Lawrence ad un certo punto durante il viaggio, " disse Hui Zhao, professore associato di fisica e astronomia presso l'Università del Kansas. "O nel basket, quando Josh Jackson di KU riceve un passaggio alley-oop da Frank Mason III e schiaccia la palla da sopra a sotto il bordo, la palla deve essere nel canestro ad un certo punto nel tempo."

Non è così per gli elettroni nel mondo quantistico, che per la maggior parte non seguono tali regole di buon senso.

"Gli elettroni possono apparire al primo piano, poi il terzo piano, senza essere mai stato al secondo piano, " disse Zhao.

Zhao, insieme allo studente laureato in fisica KU Frank Ceballos e al Self Graduate Fellow Samuel Lane, ha appena osservato il movimento controintuitivo degli elettroni durante gli esperimenti nell'Ultrafast Laser Lab di KU.

"In un campione composto da tre strati atomici, gli elettroni nello strato superiore si spostano nello strato inferiore, senza mai essere avvistato nello strato intermedio, " ha detto il ricercatore KU.

Poiché questo tipo di trasporto "quantistico" è molto efficiente, Zhao ha affermato che può svolgere un ruolo chiave in un nuovo tipo di materiale artificiale chiamato "materiali van der Waals" che potrebbe essere utilizzato un giorno nelle celle solari e nell'elettronica.

I loro risultati sono stati appena pubblicati in Nano lettere , una delle principali riviste di nanoscienza e nanotecnologia.

Il team di ricerca KU ha fabbricato il campione utilizzando il metodo "Scotch tape", dove gli strati di una singola molecola vengono sollevati da un cristallo con del nastro adesivo, poi verificato al microscopio ottico. Il campione contiene strati di MoS2, WS2 e MoSe ₂ —ogni strato più sottile di un nanometro. Tutti e tre sono materiali semiconduttori e rispondono alla luce con colori diversi. Sulla base di ciò, i ricercatori della KU hanno utilizzato un impulso laser della durata di 100 femtosecondi per liberare alcuni degli elettroni nello strato superiore di MoSe2 in modo che potessero muoversi liberamente.

"Il colore dell'impulso laser è stato scelto in modo che solo gli elettroni nello strato superiore possano essere liberati, Zhao ha detto. "Abbiamo quindi utilizzato un altro impulso laser con il colore 'giusto' per lo strato inferiore di MoS2 per rilevare l'aspetto di questi elettroni in quello strato. Il secondo impulso è stato appositamente predisposto per arrivare al campione dopo il primo impulso di circa 1 picosecondo, facendolo percorrere una distanza di 0,3 mm più lunga della prima."

Il team ha scoperto che gli elettroni si spostano dallo strato superiore a quello inferiore in circa un picosecondo in media.

"Se gli elettroni fossero cose che seguissero il 'senso comune, ' come le cosiddette particelle classiche, sarebbero nello strato intermedio ad un certo punto durante questo picosecondo, " disse Zhao.

I ricercatori hanno utilizzato un terzo impulso con un altro colore per monitorare lo strato intermedio e non hanno trovato elettroni. La scoperta sperimentale del trasporto controintuitivo degli elettroni nello stack di strati atomici è stata ulteriormente confermata dalle simulazioni eseguite dai teorici Ming-Gang Ju e Xiao Cheng Zeng presso l'Università del Nebraska-Lincoln, che ha co-autore del documento. Secondo Zhao, la verifica del trasporto quantistico di elettroni tra strati atomici collegati dalla forza di van der Waals è una notizia incoraggiante per i ricercatori che sviluppano nuovi materiali.

"L'età della pietra, Età del bronzo ed età del ferro:i materiali sono stati l'elemento determinante della storia umana, " ha detto. "La moderna era della tecnologia dell'informazione è in gran parte basata sul silicio, che è il risultato di molti decenni di ricerca sui materiali focalizzata sulla ricerca di nuovi materiali e sullo sviluppo di tecniche migliori per realizzarli con alta qualità e basso costo."

Zhao ha detto che negli ultimi decenni i ricercatori hanno imparato a mettere a punto le proprietà dei materiali modificandone le dimensioni e la forma su scala nanometrica. Una nuova forma di nanomateriali, noti come materiali bidimensionali, è stata scoperta una decina di anni fa. "Sono formati da singoli strati di atomi o molecole, " ha detto. "L'esempio più noto è il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio. Finora, sono stati scoperti circa 100 tipi di materiali bidimensionali, come i tre utilizzati in questo studio. Poiché questi strati atomici possono essere impilati usando la forza di van der Waals, hanno aperto una strada completamente nuova per creare nuovi materiali funzionali."

Il ricercatore ha affermato che il lavoro del suo team si è concentrato su un requisito chiave affinché tali materiali siano ideali per le applicazioni elettroniche e ottiche:gli elettroni devono essere in grado di muoversi in modo efficiente tra questi strati atomici.

"Questo studio ha mostrato che gli elettroni possono trasferirsi tra questi strati in modo quantistico, proprio come in altri conduttori e semiconduttori, " Egli ha detto.