Il cocktail del successo è stato agitato

Il grafene è considerato il materiale prodigioso del futuro. Il materiale, che consiste in uno strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape, è estremamente stabile, elastico, conduttivo e particolarmente interessante per le applicazioni elettroniche. Il professor Tilman Esslinger dell'ETH e il suo gruppo dell'Istituto di elettronica quantistica stanno studiando il grafene artificiale. La sua struttura a nido d'ape non è costituita da atomi, ma da luce. I ricercatori allineano diversi raggi laser in modo tale che si formino onde stazionarie che si sommano a formare esagoni. Questo reticolo ottico è stato posizionato su atomi di potassio che sono stati raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto in una camera a vuoto. Intrappolati nella struttura esagonale, gli atomi di potassio si comportano come gli elettroni del grafene.

"Lavoriamo con gli atomi nei raggi laser perché abbiamo un sistema più facile da controllare e osservare rispetto al materiale stesso", spiega il dottorando in fisica Gregor Jotzu. Poiché i ricercatori sono principalmente interessati a riprodurre le interazioni meccaniche quantistiche, si riferiscono al loro sistema come a un simulatore quantistico.

Con l'aiuto di questa disposizione di prova, sono riusciti a realizzare un'idea pubblicata dal fisico britannico Duncan Haldane nel 1988. I fisici dello stato solido avevano sperato di realizzare il modello di Haldane con il grafene reale - finora invano, dice Tilman Esslinger: "Ora ci siamo riusciti con un sistema diverso. È un passo molto bello e nuovo".

Rompere la simmetria del tempo

Haldane aveva ipotizzato l'esistenza di una nuova classe di materiali con proprietà insolite, determinate dalla loro cosiddetta topologia. Da un punto di vista matematico, gli oggetti hanno la stessa topologia se possono essere trasformati l'uno nell'altro mediante una deformazione continua come la compressione o la trazione, come sarebbe possibile con un'arancia e una banana. Se per la trasformazione è necessario un taglio, gli oggetti sono topologicamente diversi. Ad esempio, un nastro di Möbius non può essere trasformato in un nastro normale senza tagliarlo e riassemblarlo.

Nel modello di Haldane, il sistema in esame non ha più la stessa topologia dei materiali ordinari. Per realizzare questo sistema è necessario un "ingrediente" speciale, che la fisica chiama rottura di simmetria: la rottura dell'inversione temporale. Ciò significa che il sistema non si comporta allo stesso modo se si lascia che il tempo scorra all'indietro.

Normalmente, un sistema fisico ha lo stesso aspetto sia che il tempo scorra in avanti che all'indietro. In altre parole, questa rottura di simmetria non avviene. Teoricamente, tuttavia, potrebbe essere realizzata in materiali reali con campi magnetici. Tuttavia, i magneti dovrebbero essere più piccoli della distanza tra gli atomi in un solido, cioè circa 0,1 nanometri. Dovrebbero quindi essere posizionati con estrema precisione.

"Le particelle sperimentano un mondo contorto".

Nel simulatore quantistico, tuttavia, i ricercatori possono rompere l'inversione temporale con un trucco relativamente semplice, come riportano ora sulla rivista scientifica Nature. "Scuotiamo l'intero sistema in cerchio", spiega Jotzu. A tal fine, i ricercatori posizionano piccoli cristalli piezoelettrici sugli specchi che riflettono la luce laser. Poi fanno vibrare i cristalli piezoelettrici. "Questo è udibile come un suono acuto di flauto", spiega la fisica. Alla giusta frequenza e forza, gli atomi non cadono dal reticolo laser, come ci si potrebbe aspettare, ma rimangono intrappolati.

Se i ricercatori si limitano a muovere il sistema avanti e indietro lungo una linea, gli atomi continuano a comportarsi normalmente. Ma quando vengono scossi in cerchio, succede: "Le particelle sperimentano un mondo contorto", spiega Esslinger, proprio come viaggiare su un anello di Möbius sarebbe diverso dal viaggiare su un nastro normale. La topologia e quindi le proprietà del sistema sono cambiate, come se si trattasse di un materiale completamente diverso e nuovo.

Testare ciò che non esiste ancora

Il professore dell'ETH si dice sorpreso di essere riuscito a realizzare sperimentalmente il modello topologico di Haldane. L'esperimento è stato "in un certo senso sparato dal fianco". Di conseguenza, i ricercatori hanno festeggiato il loro successo con una bevanda appropriata - shakerata. Ma Esslinger mette in guardia dal saltare alle conclusioni: "Gli esperimenti con laser e atomi ultrafreddi sono superiori alle simulazioni al computer quando un sistema è troppo complesso per i calcoli. "Questo ci permette di studiare le proprietà di materiali che ancora non esistono", dice Gregor Jotzu.

Non è ancora certo che i risultati ottenuti nel simulatore quantistico possano un giorno essere trasferiti su materiale reale. Ma ci sono già delle idee: se si inviasse della luce circumpolarizzata sul grafene reale, si potrebbe ottenere un effetto simile a quello di scuotere il grafene artificiale in un cerchio. Due colleghi giapponesi hanno fatto questa proposta quando hanno visitato l'ETH, dice Esslinger. Questo potrebbe, ad esempio, rendere possibile in futuro il controllo della luce per trasformare un materiale conduttivo in un isolante e viceversa. Le applicazioni elettroniche di un tale sistema, che potrebbe reagire con particolare rapidità, sarebbero estremamente varie.

Il lavoro dell'Istituto di Elettronica Quantistica è stato svolto nell'ambito della rete di ricerca Quantum Science and Technology (QSIT). Oltre all'ETH di Zurigo, partecipano al QSIT anche gruppi delle Università di Basilea, Losanna, Ginevra e IBM Research.