Per la prima volta, il MIT è riuscito a intrappolare gli elettroni in un cristallo 3D

Per la prima volta in assoluto, i fisici sono riusciti a catturare gli elettroni all’interno di un cristallo 3D. Questo esperimento apre la strada a nuovi modi di esplorare argomenti come la superconduttività.

Nei materiali conduttivi, gli elettroni tendono a comportarsi come una folla di bambini sovraeccitati quando inizia il momento del gioco; Si muovono in tutte le direzioni e si scontrano nel caos più completo.

Ma quando sono costretti ad organizzarsi, il caos lascia il posto ad una straordinaria armonia. Come un’aula in fila in attesa di un insegnante, tutti gli elettroni possono risiedere esattamente nello stesso stato energetico, comportandosi come un’unica entità; Poi parliamo di Fascia piatta ” (letteralmente ” Barra piatta »).

Questa situazione è di grande interesse per i fisici. In effetti, la teoria prevede che in questo caso gli elettroni sviluppino una relazione molto intima a livello quantistico; Cominciarono a condividere molte delle proprietà direttamente responsabili di fenomeni come la superconduttività, la capacità di condurre una corrente elettrica senza alcuna resistenza.

Domare gli elettroni è un esercizio difficile

Ma forzare più entità a cooperare in questo modo è molto più facile a dirsi che a farsi, sia per gli educatori che per i ricercatori. I fisici sono già riusciti a forzare la mano degli elettroni in un nastro piatto, ma solo in condizioni molto specifiche.

Per ottenere ciò, il trattamento più comune è intrappolarli in un materiale bidimensionale, cioè dello spessore di un atomo. Ciò permette di ottenere una superficie completamente piana, senza la minima rugosità che turberebbe l’unità degli elettroni. Ma questo è uno scenario ideale che non esiste allo stato naturale; Tutti i materiali utilizzati nell’industria, al di fuori dei laboratori di ricerca, sono sempre materiali tridimensionali.

Pertanto, i ricercatori stanno cercando di creare le condizioni necessarie per questo Fascia piatta In materiale 3D per ottenere nuove proprietà molto interessanti per il settore. Nessuno ci è ancora riuscito; Ma una squadra prestigiosa Istituto di Tecnologia del Massachussetts (MIT) ha finalmente colmato questa lacuna.

Una trappola elettronica ispirata all’industria giapponese

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno deciso di trovare… Una struttura tridimensionale capace di intrappolare gli elettroniCome già fatto con i materiali 2D in uno studio precedente.

In questo lavoro, hanno messo gli occhi su un’idea ispirata kagomeL’arte giapponese dell’intreccio di cesti. I cestini prodotti con questa tecnica sono costituiti da triangoli i cui angoli si sovrappongono a formare una rete di forme esagonali circondate da piccoli triangoli. Notarono che gli elettroni tendevano a rimanere intrappolati in questi piccoli triangoli terminali invece di saltare attraverso il reticolo. Quindi il team ha cercato di trovare un equivalente 3D di questo modello.

Hanno setacciato centinaia di materiali esotici attraverso un database per trovare il candidato perfetto, e alla fine hanno trovato… Pirocloro — Un metallo con una geometria atomica altamente simmetrica. La struttura degli atomi forma uno schema basato su cubi i cui angoli si sovrappongono, proprio come la famosa struttura di Kagome.

Così hanno prodotto cristalli di pirocloro in laboratorio, raffreddando calcio e nichel fusi in condizioni strettamente controllate. In teoria, gli elettroni di questa sostanza dovrebbero trovarsi in questo famoso stato Fascia piatta. Ma deve ancora essere verificato, il che è molto più complicato di una mesh 2D.

La prima trappola per elettroni in tre dimensioni

Queste misurazioni infatti si basano sul principio della fotoemissione. Questa tecnica consiste nel far brillare fotoni isolati in diversi punti per espellere elettroni la cui energia può essere misurata individualmente. Se hanno tutti esattamente la stessa energia, possiamo concludere che sono in uno stato Fascia piatta. Ma la fotoemissione funziona molto male con i materiali 3D.

« Per questi esperimenti è solitamente necessaria una superficie molto piana. “, spiega Ricardo Comin, co-autore principale dello studio. Ma a livello atomico questi materiali 3D assomigliano a piccole montagne dalla struttura molto irregolare. Questo è uno dei motivi per cui nessuno è stato in grado di dimostrare che gli elettroni possano essere intrappolati lì. ».

Per superare questo ostacolo, si sono rivolti a un tipo più avanzato di fotoemissione chiamato ARPES. Ti consente di puntare a posizioni molto specifiche su una superficie irregolare. ” È come far atterrare un elicottero su una piccola piattaforma in questo paesaggio ripido “Comyn riassume.

Poterono così dimostrare che la maggior parte degli elettroni, salvo alcune anomalie, hanno esattamente la stessa energia: Quindi il cristallo pirocromo era in uno stato Piatto.

Era già un enorme successo sperimentale, ma gli autori volevano andare oltre. Da lì, volevano verificare se potevano Sfruttare la sincronizzazione degli elettroni per conferire determinate proprietà alla materia. Così realizzarono un altro cristallo con la stessa geometria, ma con altri atomi (rodio e rutenio).

Secondo i calcoli degli autori, questa disposizione dovrebbe forzare gli elettroni in uno stato Fascia piatta Con zero energia, che dà Proprietà superconduttrici della materia. E questo è esattamente ciò che sono riusciti a ottenere.

Verso una nuova generazione di superconduttori?

Si tratta quindi di un esperimento molto entusiasmante, perché potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di superconduttori. In effetti, tutti gli attuali superconduttori presentano queste proprietà utili solo in condizioni molto specifiche. In generale, il materiale deve trovarsi ad una temperatura prossima allo zero assoluto, oppure ad una pressione molto elevata.

La sfida è quindi trovare un materiale in grado di esprimere queste proprietà superconduttrici a una temperatura ragionevole e a una pressione vicina a quella atmosferica. Ciò porterebbe ad a Una rivoluzione tecnologica assolutamente gigantescacon applicazioni in molti campi come Fusione nucleare, trasporti, calcolo quantistico…

Pertanto, i superconduttori ambientali sono diventati uno del Santo Graal della fisica moderna. Molti ricercatori hanno cominciato a cercare questa sostanza ancora ipotetica nella speranza di vincere un premio Nobel più che meritato. Ma in tutta fretta, molti studi su questo argomento hanno avuto la tendenza a mettere il carro davanti ai buoi.

Molti team hanno già affermato di aver trovato una sostanza così rivoluzionaria, ma questi risultati sono stati successivamente smantellati sistematicamente. Lo abbiamo visto anche quest’estate con… Caso LK-99 ; di nuovo, ” Il primo superconduttore circostante » era molto lontano dal soddisfare questa definizione (vedi il nostro articolo qui sotto).

LK-99: I ricercatori hanno trovato un superconduttore rivoluzionario?

Ma la situazione potrebbe cambiare con le nuove trappole di elettroni 3D. ” Abbiamo dimostrato che con questa specifica disposizione degli atomi possiamo ancora trovare queste bande piatte; Non è stata solo fortuna “Commen spiega.” La sfida ora è ottimizzare la struttura per stabilizzare nuovi materiali in grado di mantenere la superconduttività a temperature più elevate. Si tratta di un nuovo paradigma per la ricerca di materiali con proprietà quantistiche interessanti. »

Il testo dello studio è disponibile ecco.