I fisici di Ratisbona e Marburgo hanno adattato l'interazione reciproca degli elettroni in un solido atomicamente sottile semplicemente coprendolo con un cristallo caratterizzato da dinamiche reticolari selezionate manualmente.

In un centimetro cubo di un solido, ci sono in genere 10 ²³ elettroni. In questo enorme sistema a molti corpi, l'interazione elettrone-elettrone a coppie apparentemente semplice può causare correlazioni estremamente complesse e comportamenti esotici, come la superconduttività. Questo fenomeno quantistico trasforma un solido in un conduttore perfetto, che trasporta correnti elettriche senza dissipazione. Generalmente, questo comportamento è un tratto normale di solidi specifici. Ancora, la scoperta di materiali a strati atomicamente sottili, come il grafene, un monostrato di grafite, o dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), ha aperto un nuovo laboratorio creativo per personalizzare le interazioni elettrone-elettrone e modellare le transizioni di fase. Per esempio, impilando strati di grafene sotto angoli specifici, si può creare un comportamento superconduttore. Ancora, la teoria ha anche previsto che l'accoppiamento di elettroni con vibrazioni quantizzate del reticolo cristallino chiamate fononi potrebbe influenzare in modo critico il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro.

I fisici di Ratisbona guidati da Rupert Huber in collaborazione con il gruppo di Ermin Malic alla Philipps University di Marburg hanno ora escogitato una nuova idea per mettere a punto l'interazione tra gli elettroni accoppiandosi alle vibrazioni del reticolo cristallino polare di uno strato vicino. Questo scenario può essere realizzato semplicemente ricoprendo i monostrati TMDC con uno strato di intonaco di gesso, un materiale comunemente usato nei calchi in gesso.

Per misurare la forza di accoppiamento tra elettroni e fononi, i fisici hanno prima eccitato gli elettroni nel monostrato semiconduttore TMDC con un impulso laser ultracorto, lasciando buchi corrispondenti nei loro siti originali. Elettroni e lacune portano cariche opposte e sono quindi legati l'uno all'altro dalla loro attrazione di Coulomb, proprio come gli elettroni sono legati al nucleo nell'atomo di idrogeno, formando i cosiddetti eccitoni. Osservando la loro struttura energetica simile ad un atomo con successivo impulso di luce ultracorto nell'infrarosso, è possibile calibrare l'interazione tra le due particelle.

La scoperta sorprendente è stata che una volta coperti gli strati di TMDC con un sottile cappuccio di gesso, la struttura degli eccitoni è stata sostanzialmente modificata. "La semplice vicinanza spaziale dello strato di gesso è sufficiente per accoppiare fortemente la struttura interna degli eccitoni alle vibrazioni del reticolo polare del gesso, "dice Philipp Merkl, il primo autore dello studio.

Anche se questo meccanismo di accoppiamento collega elettroni e fononi in diversi strati atomicamente sottili, interagiscono così fortemente che essenzialmente si fondono in nuove particelle miste. Una volta scoperto dai ricercatori, hanno iniziato a giocare con questo nuovo effetto quantistico:posizionando un terzo strato atomicamente sottile essenzialmente inerte come distanziatore tra il TMDC e il gesso, sono riusciti a regolare la distanza spaziale tra gli elettroni ei fononi con precisione atomica.

"Questa strategia ci ha permesso di mettere a punto la forza di accoppiamento con una precisione ancora maggiore, L'autore corrispondente, il dott. Chaw-Keong Yong, aggiunge. "Questi risultati potrebbero aprire nuove strade per adattare le correlazioni elettroniche nei materiali bidimensionali. Nel futuro, ciò potrebbe consentire transizioni di fase artificiali in eterostrutture impilate artificialmente e nuove proprietà quantistiche fisiche, che potrebbero trovare applicazioni in potenziali dispositivi elettronici lossless e informazioni quantistiche".