Gli esseri umani studiano la carica elettrica da migliaia di anni, ei risultati hanno plasmato la civiltà moderna. La nostra vita quotidiana dipende dall'illuminazione elettrica, smartphone, macchine, e computer, in modi che i primi individui a prendere atto di una scossa statica o di un fulmine non avrebbero mai potuto immaginare.

Ora, i fisici della Northeastern hanno scoperto un nuovo modo per manipolare la carica elettrica. E i cambiamenti nel futuro della nostra tecnologia potrebbero essere monumentali.

"Quando tali fenomeni vengono scoperti, l'immaginazione è il limite, " dice Swastik Kar, un professore associato di fisica. "Potrebbe cambiare il modo in cui possiamo rilevare e comunicare i segnali. Potrebbe cambiare il modo in cui possiamo percepire le cose e l'archiviazione delle informazioni, e possibilità a cui forse non avevamo ancora pensato."

La capacità di muoversi, manipolare, e immagazzinare elettroni è la chiave per la stragrande maggioranza della tecnologia moderna, se stiamo cercando di raccogliere energia dal sole o giocare a Plants vs. Zombies sul nostro telefono. In un articolo pubblicato su Nanoscala , i ricercatori hanno descritto un modo per far fare agli elettroni qualcosa di completamente nuovo:distribuirsi uniformemente in uno stazionario, modello cristallino.

"Sono tentato di dire che è quasi come una nuova fase della materia, " dice Kar. "Perché è puramente elettronico."

Il fenomeno è apparso mentre i ricercatori stavano conducendo esperimenti con materiali cristallini spessi solo pochi atomi, noti come materiali 2-D. Questi materiali sono costituiti da uno schema ripetuto di atomi, come una scacchiera infinita, e sono così sottili che gli elettroni in essi contenuti possono muoversi solo in due dimensioni.

L'impilamento di questi materiali ultrasottili può creare effetti insoliti poiché gli strati interagiscono a livello quantistico.

Kar e i suoi colleghi stavano esaminando due di questi materiali 2-D, seleniuro di bismuto e un dicalcogenuro di metalli di transizione, sovrapposti come fogli di carta. È stato allora che le cose hanno iniziato a diventare strane.

Gli elettroni dovrebbero respingersi l'un l'altro:sono carichi negativamente, e allontanarsi da altre cose caricate negativamente. Ma non è quello che stavano facendo gli elettroni in questi strati. Stavano formando uno schema fisso.

"A certi angoli, questi materiali sembrano formare un modo per condividere i loro elettroni che finisce per formare questo terzo reticolo geometricamente periodico, " dice Kar. "Una serie perfettamente ripetibile di pure pozzanghere elettroniche che risiede tra i due strati".

All'inizio, Kar pensava che il risultato fosse un errore. Le strutture cristalline dei materiali 2-D sono troppo piccole per essere osservate direttamente, così i fisici usano microscopi speciali che sparano fasci di elettroni invece della luce. Quando gli elettroni passano attraverso il materiale, interferiscono tra loro e creano uno schema. Il modello specifico (e un po' di matematica) può essere utilizzato per ricreare la forma del materiale 2-D.

Quando il modello risultante ha rivelato un terzo strato che non poteva provenire da nessuno degli altri due, Kar pensava che qualcosa fosse andato storto nella creazione del materiale o nel processo di misurazione. Fenomeni simili sono stati osservati in precedenza, ma solo a temperature estremamente basse. Le osservazioni di Kar erano a temperatura ambiente.

"Sei mai entrato in un prato e hai visto un albero di mele con dei manghi appesi?" chiede Kar. "Naturalmente pensavamo che qualcosa non andasse. Non poteva succedere."

Ma dopo ripetuti test ed esperimenti condotti dal dottorando Zachariah Hennighausen, i loro risultati sono rimasti gli stessi. C'era un nuovo modello in stile reticolo di punti carichi che apparivano tra i materiali 2-D. E quel modello è cambiato con l'orientamento dei due strati a sandwich.

Poiché Kar e il suo team stavano lavorando all'indagine sperimentale, Arun Bansil, un illustre professore universitario di fisica alla Northeastern, e il dottorando Chistopher Lane stavano esaminando le possibilità teoriche, per capire come ciò possa essere accaduto.

Gli elettroni in un materiale rimbalzano sempre, Bansil spiega, poiché vengono attirati dai nuclei degli atomi con carica positiva e respinti da altri elettroni con carica negativa. Ma in questo caso, qualcosa nel modo in cui queste cariche sono disposte è il raggruppamento di elettroni in uno schema specifico.

"Producono queste regioni dove ci sono, se ti piace, fossati di qualche tipo nel potenziale paesaggio, che sono sufficienti per costringere questi elettroni a creare queste pozzanghere di carica, " Dice Bansil. "L'unico motivo per cui gli elettroni si formeranno in pozzanghere è perché lì c'è un potenziale buco".

questi fossati, per così dire, sono creati da una combinazione di fattori quantistici e fisici, dice Bansil.

Quando due motivi o griglie ripetuti sono sfalsati, si combinano per creare un nuovo motivo (puoi replicarlo a casa sovrapponendo i denti di due pettini piatti). Ogni materiale 2-D ha una struttura ripetitiva, e i ricercatori hanno dimostrato che il modello creato quando quei materiali sono impilati determina dove andranno a finire gli elettroni.

"È lì che diventa meccanica quantistica favorevole che le pozzanghere risiedano, " Kar dice. "Sta quasi guidando quelle pozzanghere di elettroni a rimanere lì e da nessun'altra parte. È affascinante".

Mentre la comprensione di questo fenomeno è ancora agli inizi, ha il potenziale per avere un impatto sul futuro dell'elettronica, sistemi di rilevamento e rilevamento, ed elaborazione delle informazioni.

"L'eccitazione a questo punto sta nel poter potenzialmente dimostrare qualcosa che le persone non avrebbero mai pensato potesse esistere a temperatura ambiente prima, " Kar dice. "E ora, il cielo è il limite in termini di come possiamo sfruttarlo."