I ricercatori dell’ETH di Zurigo sono riusciti a osservare un cristallo composto solo da elettroni. Questi cristalli Wigner erano già stati previsti quasi novant’anni fa, ma ora possono essere osservati direttamente solo in un materiale semiconduttore.

I cristalli hanno affascinato le persone nel corso dei secoli. Chi non ha ammirato ad un certo punto gli intricati motivi di un fiocco di neve o le superfici perfettamente simmetriche di un cristallo di rocca? La magia non si ferma anche se si sa che tutto questo è causato da una semplice interazione tra gravità e repulsione tra atomi ed elettroni. Un team di ricercatori guidato da Atak Imamoglu, professore presso l’Istituto di elettronica quantistica dell’ETH di Zurigo, ha prodotto un cristallo molto speciale. A differenza dei normali cristalli, è costituito esclusivamente da elettroni. In tal modo, hanno confermato una previsione teorica fatta quasi novant’anni fa che da allora è stata considerata una sorta di Santo Graal della fisica della materia condensata. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica natura.

Previsione vecchia di decenni

“Ciò che ci ha entusiasmato per questo problema è la sua semplicità”, afferma Imamoglu. Nel 1934, Eugene Wiener, uno dei fondatori della teoria della simmetria nella meccanica quantistica, dimostrò che gli elettroni in una sostanza potrebbero teoricamente organizzarsi in schemi regolari simili a cristalli a causa della loro reciproca repulsione elettrica. La logica dietro questo è molto semplice: se l’energia della repulsione elettrica tra gli elettroni è maggiore della loro energia cinetica, si disporranno in modo tale che la loro energia totale sia la più piccola possibile.

Nonostante ciò, questa previsione per diversi decenni è rimasta puramente teorica, poiché i “cristalli di Wigner” possono formarsi solo in condizioni estreme come basse temperature e pochissimi elettroni liberi nel materiale. Ciò è in parte dovuto al fatto che gli elettroni sono molte migliaia di volte più leggeri degli atomi, il che significa che la loro energia cinetica nell’ordine ordinario è solitamente molto maggiore dell’energia elettrostatica dovuta all’interazione tra gli elettroni.

Elettroni nel piano

Per aggirare questi ostacoli, Imamoglu e i suoi collaboratori hanno scelto un sottile strato di dislenuro di molibdeno semiconduttore dello spessore di un solo atomo, quindi gli elettroni possono muoversi solo su un piano. I ricercatori possono modificare il numero di elettroni liberi applicando una tensione a due elettrodi di grafene trasparenti, tra i quali è posto un semiconduttore. Secondo considerazioni teoriche, le proprietà elettriche del bisolfuro di molibdeno dovrebbero favorire la formazione di un cristallo di Wigner – a condizione che l’intero dispositivo sia raffreddato a pochi gradi sopra lo zero assoluto di meno 273,15 °C.

Gli elettroni in una sostanza di solito si comportano come un liquido turbolento (a sinistra), ma possono formare un normale cristallo di Wigner (a destra) in determinate condizioni. Credito: ETH Zurigo

Tuttavia, la semplice produzione di un cristallo Wigner non è sufficiente. “Il problema successivo era dimostrare che abbiamo effettivamente i cristalli Wigner nei nostri dispositivi”, afferma Tomasz Smolensky, autore principale della pubblicazione e postdoc nel laboratorio di Imamoglu. La distanza tra gli elettroni è stata calcolata essere di circa 20 nanometri, ovvero quasi trenta volte inferiore alla lunghezza d’onda della luce visibile, e quindi impossibile da risolvere anche con i migliori microscopi.

Rilevamento da eccitoni

Usando un trucco, i fisici sono stati in grado di rendere visibile la disposizione regolare degli elettroni nonostante questa piccola separazione nel reticolo cristallino. Per fare ciò, hanno usato la luce di una certa frequenza per eccitare i cosiddetti eccitoni nello strato semiconduttore. Gli eccitoni sono coppie di elettroni e “buchi” che risultano da un elettrone mancante nel livello energetico della materia. L’esatta frequenza della luce per la formazione di tali eccitoni e la velocità con cui si muovono dipendono sia dalle proprietà del materiale che dall’interazione con altri elettroni nel materiale, ad esempio con un cristallo di Wigner.

La disposizione periodica degli elettroni nel cristallo crea un effetto che a volte può essere visto in TV. Quando una bici o un’auto si muove sempre più velocemente, le ruote al di sopra di una certa velocità sembrano ferme e poi girano nella direzione opposta. Questo perché la fotocamera scatta un’istantanea della ruota ogni 40 millisecondi. Se i freni di una ruota regolarmente distanziata si spostano esattamente in quel momento della distanza tra i raggi, sembra che la ruota non giri più. Analogamente, in presenza di un cristallo di Wigner, gli eccitoni in movimento appaiono stazionari purché si muovano ad una certa velocità determinata dalla separazione degli elettroni nel reticolo cristallino.

Prima nota diretta

“Un gruppo di fisici teorici guidati da Eugene Daimler dell’Università di Harvard, che quest’anno sta passando all’ETH, ha calcolato teoricamente come questo effetto dovrebbe apparire nelle frequenze di eccitazione osservate degli eccitoni – e questo è esattamente ciò che abbiamo osservato in laboratorio”, Imamoglu dice. In contrasto con i precedenti esperimenti basati su semiconduttori planari, in cui i cristalli di Wigner sono stati osservati indirettamente dalle misurazioni attuali, questa è una conferma diretta della disposizione regolare degli elettroni nel cristallo.In futuro, Imamoglu e i suoi colleghi sperano, con il loro nuovo metodo, per studiare esattamente come si formano i cristalli di Wigner da un “liquido” di elettroni disordinati.

Riferimento: “Signature di cristallo Wigner di elettroni in un semiconduttore monostrato” di Tomasz Smolensky, Pavel E Dolgerev, Clemens Kohlenkamp, ​​​​Alexander Popert, Yuya Shimazaki, Patrick Buck, Xiaobo Lu, Martin Kroner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ilya Esterley, Eugene Daimler e Aitt Imamoglu, 30 giugno 2021, disponibile qui. natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03590-4