In un nuovo studio, scienziati dell'Indian Institute of Science (IISc) hanno dimostrato sperimentalmente l'esistenza di due specie di poche bolle di elettroni (FEB) nell'elio superfluido per la prima volta. Questi FEB possono servire come modello utile per studiare come gli stati energetici degli elettroni e le interazioni tra di loro in un materiale influenzano le sue proprietà.

La squadra includeva Neha Yadav, un ex dottorato di ricerca studente presso il Dipartimento di Fisica, Prosenjit Sen, Professore Associato presso il Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) e Ambarish Ghosh, Professore al CeNSE. Lo studio è stato pubblicato su Progressi scientifici .

Un elettrone iniettato in una forma superfluida di elio crea una singola bolla elettronica (SEB), una cavità priva di atomi di elio e contenente solo l'elettrone. La forma della bolla dipende dallo stato energetico dell'elettrone. Ad esempio, la bolla è sferica quando l'elettrone è allo stato fondamentale (1S). Ci sono anche i MEB, bolle di elettroni multiple che contengono migliaia di elettroni.

FEB, d'altra parte, sono cavità di dimensioni nanometriche in elio liquido contenenti solo una manciata di elettroni liberi. Il numero, lo stato e le interazioni tra gli elettroni liberi determinano le proprietà fisiche e chimiche dei materiali. Studiare FEB, perciò, potrebbe aiutare gli scienziati a capire meglio come emergono alcune di queste proprietà quando alcuni elettroni presenti in un materiale interagiscono tra loro. Secondo gli autori, capire come si formano i FEB può anche fornire approfondimenti sull'autoassemblaggio di materiali morbidi, che può essere importante per lo sviluppo di materiali quantistici di prossima generazione. Però, finora gli scienziati hanno previsto solo teoricamente l'esistenza dei FEB. "Ora abbiamo osservato sperimentalmente i FEB per la prima volta e abbiamo capito come vengono creati, " Dice Yadav. "Questi sono bei nuovi oggetti con grandi implicazioni se possiamo crearli e intrappolarli".

Yadav e colleghi stavano studiando la stabilità dei MEB a dimensioni nanometriche quando hanno osservato casualmente i FEB. Inizialmente, erano entrambi euforici e scettici. "Ci sono voluti un gran numero di esperimenti prima di essere sicuri che questi oggetti fossero davvero FEB. Allora è stato sicuramente un momento tremendamente emozionante, " dice Gosh.

I ricercatori hanno prima applicato un impulso di tensione a una punta di tungsteno sulla superficie dell'elio liquido. Quindi hanno generato un'onda di pressione sulla superficie caricata utilizzando un trasduttore a ultrasuoni. Ciò ha permesso loro di creare 8EB e 6EB, due specie di FEB contenenti rispettivamente otto e sei elettroni. Questi FEB sono risultati stabili per almeno 15 millisecondi (i cambiamenti quantistici in genere si verificano su scale temporali molto più brevi) il che consentirebbe ai ricercatori di intrappolarli e studiarli.

"I FEB formano un sistema interessante che ha sia interazione elettrone-elettrone che interazione elettrone-superficie, " spiega Yadav.

Ci sono diversi fenomeni che i FEB possono aiutare gli scienziati a decifrare, come flussi turbolenti in superfluidi e fluidi viscosi, o il flusso di calore nell'elio superfluido. Proprio come la corrente scorre senza resistenza nei materiali superconduttori a temperature molto basse, l'elio superfluido conduce il calore in modo efficiente anche a temperature molto basse. Ma i difetti del sistema, chiamati vortici, può abbassare la sua conduttività termica. Poiché i FEB sono presenti al centro di tali vortici, come hanno scoperto gli autori in questo studio, possono aiutare a studiare come i vortici interagiscono tra loro e il calore che scorre attraverso l'elio superfluido.

"Nell'immediato futuro, vorremmo sapere se esistono altre specie di FEB, e comprendere i meccanismi per cui alcuni sono più stabili degli altri, " dice Ghosh. "A lungo termine, vorremmo usare questi FEB come simulatori quantistici, per i quali è necessario sviluppare nuovi tipi di schemi di misurazione."