L'esplorazione delle proprietà e dei comportamenti delle particelle quantistiche fortemente interagenti è una delle frontiere della fisica moderna. Non solo ci sono grandi problemi aperti che attendono soluzioni, alcuni dei quali da decenni (si pensi alla superconduttività ad alta temperatura). Altrettanto importante, ci sono vari regimi della fisica quantistica a molti corpi che rimangono essenzialmente inaccessibili con gli attuali strumenti analitici e numerici. Per questi casi in particolare, sono ricercate piattaforme sperimentali in cui le interazioni tra le particelle possono essere sia controllate che sintonizzate, consentendo così l'esplorazione sistematica di ampi intervalli di parametri. Una di queste piattaforme sperimentali sono pile accuratamente progettate di materiali bidimensionali (2D). Negli ultimi due anni, questi "materiali quantistici di design" hanno consentito studi unici sugli stati elettronici correlati. Tuttavia, la forza dell'interazione tra gli stati quantistici viene in genere fissata una volta che uno stack viene fabbricato. Ora il gruppo del professor Ataç Imamoğlu dell'Institute for Quantum Electronics segnala un modo per aggirare questa limitazione. Scrivere in Scienza , introducono un metodo versatile che consente la regolazione della forza di interazione nelle eterostrutture 2D mediante l'applicazione di campi elettrici.

La forza in una svolta

I materiali bidimensionali sono stati al centro della ricerca sullo stato solido sin dal primo isolamento e caratterizzazione riusciti del grafene (singoli strati di atomi di carbonio) nel 2004. Da allora il campo si è ampliato a una velocità mozzafiato, ma ha ricevuto un notevole impulso tre anni fa, quando è stato dimostrato che due strati di grafene disposti con un piccolo angolo l'uno rispetto all'altro possono ospitare un'ampia gamma di fenomeni intriganti dominati dalle interazioni elettroniche.

Tali sistemi "a doppio strato ritorto", noti anche come strutture moiré, sono stati successivamente creati anche con altri materiali 2D, in particolare con dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). L'anno scorso, il gruppo Imamoğlu ha dimostrato che due strati singoli del materiale TMD molibdeno diseleniuro (MoSe₂ ), separati da una barriera a strato singolo fatta di nitruro di boro esagonale (hBN), producono strutture moiré in cui emergono stati quantistici fortemente correlati. Oltre agli stati puramente elettronici, questi materiali mostrano anche stati ibridi luce-materia, che alla fine consentono di studiare queste eterostrutture mediante spettroscopia ottica, cosa che non è possibile con il grafene.

Ma per tutta l'affascinante fisica a molti corpi che questi MoSe₂ /hBN/MoSe₂ le strutture forniscono l'accesso, condividono uno svantaggio con molte altre piattaforme a stato solido:i parametri chiave sono più o meno fissi nella fabbricazione. Per cambiare questa situazione, il team, guidato dai dottorandi Ido Schwartz e Yuya Shimazaki, ha ora adottato uno strumento ampiamente utilizzato negli esperimenti su una piattaforma famosa per la sua sintonizzabilità, i gas quantistici atomici ultrafreddi.

Le risonanze di Feshbach diventano elettriche

Schwartz, Shimazaki e i loro colleghi hanno dimostrato di poter indurre nel loro sistema una cosiddetta risonanza di Feshbach. Questi consentono, in sostanza, di regolare la forza di interazione tra le entità quantistiche portandole in risonanza con uno stato legato. Nel caso esplorato dal team dell'ETH, questi stati limite si trovano tra un eccitone (creato utilizzando le transizioni ottiche nel loro sistema) in uno strato e un buco nell'altro strato. Si scopre che quando eccitone e foro si sovrappongono nello spazio, quest'ultimo può passare all'altro strato e formare una "molecola" interstrato eccitone-buco (vedi figura). Fondamentalmente, la forza di interazione tra gli strati rilevanti delle interazioni eccitone-buco può essere prontamente modificata utilizzando i campi elettrici.

Questa sintonizzabilità elettrica dell'energia di legame delle "molecole di Feshbach" è in contrasto con i sistemi atomici, dove le risonanze di Feshbach sono tipicamente controllate con campi magnetici. Inoltre, gli esperimenti di Schwartz, Shimazaki et al. producono le prime risonanze di Feshbach che si verificano in sistemi veramente 2D, il che è di per sé interessante. Più importante, tuttavia, potrebbe essere che le risonanze Feshbach sintonizzabili elettricamente esplorate ora in MoSe₂ /hBN/MoSe₂ le eterostrutture dovrebbero essere una caratteristica generica dei sistemi a doppio strato con tunneling coerente di elettroni o lacune. Ciò significa che la "manopola di sintonia" di recente introduzione potrebbe diventare uno strumento versatile per un'ampia gamma di piattaforme a stato solido basate su materiali 2D, aprendo a sua volta prospettive intriganti per la più ampia esplorazione sperimentale dei sistemi quantistici a molti corpi. + Esplora ulteriormente

I ricercatori osservano i trioni moiré nei doppi strati di dicalcogenuri di metalli di transizione impilati in H