La legge di Ohm è ben nota dalla classe di fisica. Afferma che la resistenza di un conduttore e la tensione applicata ad esso determinano quanta corrente scorrerà attraverso il conduttore. Gli elettroni nel materiale, i portatori di carica negativa, si muovono in modo disordinato e in gran parte indipendentemente l'uno dall'altro. I fisici lo trovano molto più interessante, però, quando i portatori di carica si influenzano l'un l'altro abbastanza fortemente da far sì che quella semplice immagine non sia più corretta.

Questo è il caso, ad esempio, in "Twisted Bilayer Graphene, " che è stato scoperto alcuni anni fa. Quel materiale è costituito da due sottilissimi strati di grafene costituiti da un singolo strato di atomi di carbonio ciascuno. Se due strati vicini sono leggermente attorcigliati l'uno rispetto all'altro, gli elettroni possono essere influenzati in modo tale da interagire fortemente tra loro. Come conseguenza, il materiale può, ad esempio, diventano superconduttori e quindi conducono corrente senza perdite.

Un team di ricercatori guidati da Klaus Ensslin e Thomas Ihn presso il Laboratorio di fisica dello stato solido dell'ETH di Zurigo, insieme ai colleghi dell'Università del Texas ad Austin (U.S.A.), ha ora osservato un nuovo stato nei doppi strati attorcigliati di grafene. In quello stato, elettroni con carica negativa e i cosiddetti buchi con carica positiva, che mancano di elettroni nel materiale, sono così fortemente correlati tra loro che il materiale non conduce più corrente elettrica.

Strati di grafene intrecciati

"Negli esperimenti convenzionali, in cui gli strati di grafene sono attorcigliati di circa un grado l'uno rispetto all'altro, la mobilità degli elettroni è influenzata dal tunneling quantomeccanico tra gli strati, " spiega Peter Rickhaus, un post-doc e autore principale dello studio recentemente pubblicato sulla rivista Scienza . "Nel nostro nuovo esperimento, al contrario, giriamo due doppi strati di grafene di più di due gradi l'uno rispetto all'altro, in modo che gli elettroni essenzialmente non possano più creare tunnel tra i doppi strati".

Maggiore resistenza grazie all'accoppiamento

Come risultato di questo, applicando un campo elettrico, gli elettroni possono essere creati in uno dei doppi strati e buchi nell'altro. Sia gli elettroni che le lacune possono condurre corrente elettrica. Perciò, ci si aspetterebbe che i due doppi strati di grafene insieme formino un conduttore ancora migliore con una resistenza inferiore.

In determinate circostanze, però, può succedere l'esatto contrario, come Folkert de Vries, un post-doc nel team di Ensslin, spiega:"Se regoliamo il campo elettrico in modo tale da avere lo stesso numero di elettroni e lacune nei doppi strati, la resistenza aumenta improvvisamente bruscamente." Per diverse settimane Ensslin e i suoi collaboratori non furono in grado di dare un senso a quel sorprendente risultato, ma alla fine il loro collega teorico Allan H. MacDonald di Austin diede loro un suggerimento decisivo:secondo MacDonald, avevano osservato un nuovo tipo di onda di densità.

Le cosiddette onde di densità di carica di solito si verificano nei conduttori unidimensionali quando gli elettroni nel materiale conducono collettivamente corrente elettrica e si dispongono anche spazialmente in onde. Nell'esperimento condotto dai ricercatori dell'ETH, ora sono gli elettroni e le lacune che si accoppiano tra loro per attrazione elettrostatica e formano così un'onda di densità collettiva. Quell'onda di densità, però, ora consiste di coppie elettrone-lacuna elettricamente neutre, in modo che i due doppi strati presi insieme non possano più condurre corrente elettrica.

Nuovo stato correlato

"Questo è uno stato correlato completamente nuovo di elettroni e lacune che non ha carica complessiva, " dice Ensslin. "Questo stato neutrale può, tuttavia, trasmettere informazioni o condurre calore. Inoltre, la cosa speciale è che possiamo controllarlo completamente attraverso l'angolo di torsione e la tensione applicata." Stati simili sono stati osservati in altri materiali in cui le coppie elettrone-lacuna (note anche come eccitoni) vengono create attraverso l'eccitazione mediante luce laser. In l'esperimento all'ETH, però, gli elettroni e le lacune sono nel loro stato fondamentale, o stato di energia più bassa, il che significa che la loro vita non è limitata dal decadimento spontaneo.

Possibile applicazione nelle tecnologie quantistiche

Ensslin, specializzato nello studio delle proprietà elettroniche di piccoli sistemi quantistici, sta già speculando su possibili applicazioni pratiche per il nuovo stato correlato. Però, ciò richiederà una discreta quantità di lavoro preparatorio. Si potrebbero intrappolare le coppie elettrone-lacuna, per esempio in un risonatore (Fabry-Pérot). Questo è molto esigente, poiché le particelle neutre non possono essere controllate direttamente, ad esempio utilizzando campi elettrici. Il fatto che lo stato sia elettricamente neutro potrebbe, d'altra parte, rivelarsi un vantaggio:potrebbe essere sfruttato per rendere le memorie quantistiche meno suscettibili al rumore del campo elettrico.