Un nuovo modo di manipolare la carica elettrica

Gli umani hanno studiato la carica elettrica per migliaia di anni e i risultati hanno plasmato la civiltà moderna. Le nostre vite quotidiane dipendono dall’illuminazione elettrica, dagli smartphone, dalle automobili e dai computer, in un modo che i primi individui a prendere nota di una scarica statica o di un fulmine non avrebbero mai immaginato. 

Ora, i fisici della Northeastern hanno scoperto un nuovo modo di manipolare la carica elettrica. E i cambiamenti nel futuro della nostra tecnologia potrebbero essere monumentali. 

Arun Bansil, illustre professore universitario di fisica (a sinistra) e professore associato di fisica Swastik Kar, hanno scoperto per caso un nuovo modo di manipolare la carica elettronica. Foto di Matthew Modoono / Northeastern University

Quando vengono scoperti tali fenomeni, l’immaginazione è il limite“, afferma Swastik Kar , professore associato di fisica. “Potrebbe cambiare il modo in cui possiamo rilevare e comunicare segnali. Potrebbe cambiare il modo in cui possiamo percepire le cose, la conservazione delle informazioni e le possibilità a cui potremmo non aver ancora pensato”.

La capacità di spostare, manipolare e immagazzinare elettroni è la chiave della stragrande maggioranza della tecnologia moderna, sia che stiamo provando a raccogliere energia dal sole sia a giocare a Plants vs. Zombies sul nostro telefono. In un articolo pubblicato su Nanoscale , i ricercatori hanno descritto un modo per far fare agli elettroni qualcosa di completamente nuovo: distribuirsi uniformemente in un modello stazionario e cristallino. 

Sono tentato di dire che è quasi come una nuova fase della materia“, dice Kar. “Perché è solo puramente elettronico“.

Credit: Hannah Moore/Northeastern University

La manifestazione del fenomeno

Il fenomeno è apparso mentre i ricercatori stavano conducendo esperimenti con materiali cristallini che hanno solo pochi atomi di spessore, noti come materiali 2D. Questi materiali sono costituiti da uno schema ripetuto di atomi, come una scacchiera senza fine, e sono così sottili che gli elettroni in essi contenuti possono muoversi solo in due dimensioni. 

L’accatastamento di questi materiali ultrasottili può creare effetti insoliti quando gli strati interagiscono a livello quantistico. 

Kar e i suoi colleghi stavano esaminando due di questi materiali 2D, selenide di bismuto e un dichalcogenide di metallo di transizione, sovrapposti l’uno sull’altro come fogli di carta. Fu allora che le cose iniziarono a diventare strane.

Gli elettroni dovrebbero respingersi a vicenda: sono caricati negativamente e si allontanano da altre cose caricate negativamente. Ma non è quello che stavano facendo gli elettroni in questi strati. Stavano formando un modello stazionario.

Ad alcuni angoli, questi materiali sembrano formare un modo per condividere i loro elettroni che finisce per formare questo terzo reticolo geometricamente periodico“, dice Kar. “Una gamma perfettamente ripetibile di ‘pozzanghere’ elettroniche pure che risiede tra i due strati“.

All’inizio, Kar pensò che il risultato fosse un errore. Le strutture cristalline di materiali 2D sono troppo piccole per essere osservate direttamente, quindi i fisici usano microscopi speciali che sparano fasci di elettroni anziché luce. Quando gli elettroni passano attraverso il materiale, interferiscono tra loro e creano uno schema. Il modello specifico (e un mucchio di matematica) può essere utilizzato per ricreare la forma del materiale 2D.

Un terzo stato

Quando il modello risultante ha rivelato un terzo strato che non poteva provenire da nessuno degli altri due, Kar pensava che qualcosa fosse andato storto nella creazione del materiale o nel processo di misurazione. Fenomeni simili sono stati osservati prima, ma solo a temperature estremamente basse. Le osservazioni di Kar erano a temperatura ambiente.

Hai mai camminato in un prato e hai visto un melo con mango che pende dallo stesso?” Chiede Kar. “Naturalmente abbiamo pensato che qualcosa non andasse. Questo non potrebbe succedere“.

Ma dopo ripetuti test ed esperimenti condotti da Zachariah Hennighausen, i loro risultati sono rimasti gli stessi. C’era un nuovo modello in stile reticolo di punti caricati che appare tra i materiali 2D. E quel modello è cambiato con l’orientamento dei due strati.

Capire il fenomeno

Mentre Kar e il suo team stavano lavorando all’indagine sperimentale, Arun Bansil, un illustre professore di fisica dell’università del Nordest, e il dottorando Chistopher Lane, stavano esaminando le possibilità teoriche per capire come ciò potesse accadere. 

Gli elettroni in un materiale rimbalzano sempre intorno, spiega Bansil, mentre vengono attratti dai nuclei di atomi caricati positivamente e respinti da altri elettroni caricati negativamente. Ma in questo caso, qualcosa sul modo in cui sono disposte queste cariche è il raggruppamento di elettroni in uno schema specifico. 

“Producono queste regioni dove ci sono, se vuoi, fossati di qualche tipo nel panorama potenziale, che sono abbastanza per forzare questi elettroni a creare queste pozzanghere di carica”, dice Bansil. “L’unica ragione per cui gli elettroni si trasformeranno in pozzanghere è perché c’è un potenziale buco lì.”

Questi fossati, per così dire, sono creati da una combinazione di fattori quantici meccanici e fisici, dice Bansil. 

Quando due motivi o griglie ripetute vengono sfalsati, si combinano per creare un nuovo motivo (è possibile replicarlo a casa sovrapponendo i denti di due pettini piatti). Ogni materiale 2D ha una struttura ripetitiva e i ricercatori hanno dimostrato che il modello creato quando questi materiali sono impilati determina dove finiranno gli elettroni.  

È lì che diventa meccanicamente quantistico favorevole per le pozzanghere“, afferma Kar. “Sta quasi guidando quelle pozze di elettroni a rimanere lì e in nessun altro posto. È affascinante“.

Infinte applicazioni

Mentre la comprensione di questo fenomeno è ancora agli inizi, ha il potenziale per avere un impatto sul futuro dell’elettronica, dei sistemi di rilevamento e dell’elaborazione delle informazioni. 

L’eccitazione a questo punto è quella di essere in grado di dimostrare potenzialmente qualcosa che la gente non aveva mai pensato potesse esistere a temperatura ambiente prima“, dice Kar. “E ora, il cielo è il limite in termini di come possiamo sfruttarlo“.

Citazioni e Approfondimenti

  • Physicists may have accidentally discovered a new state of matter, by Laura Castañón, Northeastern University
  • Zachariah Hennighausen et al. Evidence of a purely electronic two-dimensional lattice at the interface of TMD/Bi2Se3 heterostructures, Nanoscale (2019). DOI: 10.1039/C9NR04412D