Un materiale con un tocco speciale

Molte tecnologie moderne si basano su materiali speciali, come i semiconduttori, importanti per i computer, in cui gli elettroni possono muoversi più o meno liberamente. La libertà degli elettroni è determinata dalle loro proprietà quantistiche e dalla struttura cristallina del materiale. Di solito si muovono indipendentemente l'uno dall'altro. In determinate condizioni, tuttavia, le forti interazioni tra gli elettroni possono portare a fenomeni speciali. Un esempio ben noto è quello dei superconduttori, in cui gli elettroni si uniscono a coppie e conducono corrente elettrica senza resistenza.

Presso l'Istituto di elettronica quantistica di Zurigo, l'ETH Imamoğlu studia materiali con elettroni fortemente interagenti. Vuole comprendere meglio il comportamento degli elettroni in questi materiali ed è alla ricerca di proprietà inaspettate che potrebbero essere interessanti per future applicazioni innovative. Ora lui e i suoi collaboratori hanno fatto scoperte sorprendenti sul comportamento degli elettroni in un materiale "contorto", come riportano nella rivista pagina esternaLa natura relazione.

Moiré in un cristallo

Per generare forti interazioni tra gli elettroni in modo controllato, il gruppo di ricerca di Imamoğlu utilizza dischi sottilissimi fatti di uno strato di cristallo di diseleniuro di molibdeno dello spessore di un solo atomo. Tali dischi sono noti anche come materiali bidimensionali, poiché gli elettroni possono muoversi liberamente solo su un piano. Questo fatto da solo dà origine a una serie di proprietà sorprendenti, come quelle osservate nel grafene, che è anch'esso un materiale bidimensionale.

Il fenomeno diventa ancora più interessante quando due dischi di questo tipo vengono sovrapposti e le loro direzioni cristalline vengono leggermente ruotate l'una rispetto all'altra. Questo produce un effetto noto in televisione: se qualcuno indossa una cravatta o un vestito di un tessuto a scacchi o a righe, a volte si possono vedere strani disegni sullo schermo. Questi sono noti anche come motivi moiré.

Qualcosa di simile accade nei materiali di Imamoğlu. La torsione dei due dischi crea una sorta di reticolo cristallino moiré, che corrisponde a un cristallo fittizio con atomi più distanti tra loro. Un cristallo di questo tipo ha un'influenza molto più debole sul movimento degli elettroni, per cui le interazioni tra gli elettroni sono proporzionalmente più importanti.

Proprietà sorprendenti

"Secondo il motto 'di più è meglio', abbiamo anche inserito un sottile strato di un altro materiale tra i dischi di diseleniuro di molibdeno", spiega Yuya Shimazaki, post-dottorando senior nel gruppo di ricerca di Imamoğlu. Questo strato di nitruro di boro fa sì che gli elettroni non possano fare tunnel avanti e indietro nonostante la vicinanza tra i due dischi attorcigliati. Applicando una tensione elettrica al materiale, è possibile controllare con precisione il numero di elettroni presenti al suo interno. Per scoprire finalmente come si muovono gli elettroni in questo materiale a sandwich, i ricercatori lo hanno illuminato con una luce laser, eccitando così gli elettroni.

"Il nostro materiale permette di studiare gli elettroni con mezzi ottici", spiega Imamoğlu. "I segnali luminosi emessi dagli elettroni eccitati rivelano molte proprietà sorprendenti degli elettroni. I fisici sono rimasti più sorpresi dal comportamento del loro materiale quando conteneva tanti elettroni quanti erano i punti del reticolo nei reticoli moiré dei due dischi.

In questo caso, in entrambi i dischi si sono formati i cosiddetti stati di isolante di Mott, in ognuno dei quali esattamente un elettrone occupa un sito del reticolo. La particolarità è che gli stati di isolante di Mott si stabilizzavano l'uno con l'altro e non potevano essere spostati nemmeno da forti campi elettrici esterni, per cui non scorreva corrente. "È la prima volta che si osserva un comportamento del genere", spiega Imamoğlu.

Materiale ideale per la ricerca futura

Il nuovo materiale apre le porte a tutta una serie di ulteriori ed entusiasmanti ricerche, in quanto è ideale per esperimenti controllati con elettroni fortemente interagenti. I ricercatori possono utilizzare lo strato di nitruro di boro e l'angolo tra i dischi di diseleniuro di molibdeno per modificare le proprietà del materiale e la forza delle interazioni. Ciò consente di studiare processi fisici complessi, difficili da realizzare in altri materiali.