Un isolante composto da due conduttori

Conosciamo bene la legge di Ohm dalle lezioni di fisica. Essa stabilisce che la tensione applicata e la resistenza elettrica determinano la quantità di corrente che attraversa un conduttore. Gli elettroni, cioè i portatori di carica negativa, si muovono nel materiale in modo disorganizzato e in gran parte indipendente l'uno dall'altro. Tuttavia, per la fisica diventa molto più interessante quando i portatori di carica si influenzano reciprocamente in modo così forte che questa semplice immagine non è più corretta.

Questo è il caso, ad esempio, del "grafene bilayer attorcigliato" scoperto qualche anno fa. Questo materiale è costituito da due strati sottilissimi di grafene, ognuno dei quali è formato da un singolo strato di atomi di carbonio. Se due strati vicini vengono leggermente attorcigliati l'uno contro l'altro, gli elettroni possono essere influenzati in modo tale da interagire fortemente tra loro. Ciò consente al materiale di diventare superconduttore, ad esempio, cioè di condurre elettricità senza perdite.

Un team di ricercatori guidato da Klaus Ensslin e Thomas Ihn del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido dell'ETH di Zurigo, insieme a colleghi dell'Università del Texas di Austin (USA), ha osservato un nuovo tipo di stato nei bilayer di grafene ritorto. Gli elettroni con carica negativa e le buche con carica positiva, cioè gli elettroni mancanti nel materiale, sono così fortemente correlati che il materiale non conduce più elettricità.

Strati di grafene attorcigliati

"Negli esperimenti convenzionali, in cui gli strati di grafene sono attorcigliati di circa un grado l'uno rispetto all'altro, la mobilità degli elettroni è influenzata dal tunnelling meccanico quantistico tra gli strati", spiega Peter Rickhaus, ricercatore post-dottorando e primo autore dello studio ora pubblicato sulla rivista "Science". "Nel nostro nuovo esperimento, invece, abbiamo ruotato due doppi strati di grafene di oltre due gradi l'uno rispetto all'altro, in modo che gli elettroni non possano praticamente più effettuare il tunneling tra i doppi strati".

Maggiore resistenza grazie all'accoppiamento

Di conseguenza, applicando un campo elettrico è possibile generare elettroni liberi in uno dei doppi strati e buchi nell'altro. Sia gli elettroni che le buche possono condurre l'elettricità. Si prevede quindi che i due bilayer di grafene insieme formino un conduttore ancora migliore con una resistenza inferiore.

Tuttavia, potrebbe verificarsi l'esatto contrario, come spiega il ricercatore post-dottorando Folkert de Vries del team di Ensslin: "Se regoliamo il campo elettrico in modo che ci siano tanti elettroni quanti buchi nei bilayer, la resistenza aumenta improvvisamente in modo drammatico"."Per diverse settimane, Ensslin e i suoi collaboratori non sono riusciti a spiegare questo risultato sorprendente, finché il loro collega teorico Allan H. MacDonald di Austin ha finalmente dato loro la dritta decisiva: secondo MacDonald, hanno osservato un nuovo tipo di onda di densità.

Le cosiddette onde di densità di carica si formano normalmente nei conduttori unidimensionali quando gli elettroni del materiale conducono collettivamente l'elettricità e si dispongono spazialmente per formare le onde. Nell'esperimento dei ricercatori dell'ETH, sono gli elettroni e le buche ad accoppiarsi tra loro per attrazione elettrostatica, formando così un'onda di densità collettiva. Tuttavia, quest'onda di densità è costituita da coppie elettricamente neutre di elettroni e buchi, per cui i due doppi strati non possono più condurre elettricità insieme.

Nuovo stato correlato

"Si tratta di uno stato correlato di elettroni e buchi completamente nuovo, privo di carica complessiva", spiega Ensslin. "Questo stato neutro può ancora trasmettere informazioni o condurre calore. La particolarità è che possiamo controllarlo completamente Chi siamo, tramite l'angolo di torsione e la tensione applicata". Stati simili sono già stati osservati in altri materiali in cui le coppie elettrone-buco (note anche come eccitoni) sono generate dall'eccitazione con luce laser. Nell'esperimento dell'ETH, tuttavia, gli elettroni e le buche si trovano allo stato fondamentale, cioè allo stato di minima energia, il che significa che la loro vita non è limitata dal decadimento spontaneo.

Possibile impiego nelle tecnologie quantistiche

Ensslin, che è specializzato nello studio delle proprietà elettroniche di piccoli sistemi quantistici, sta già ipotizzando come il nuovo stato correlato potrebbe essere utilizzato per applicazioni. Tuttavia, è necessario svolgere ancora del lavoro preliminare. Le coppie elettrone-buco potrebbero essere catturate, ad esempio in un risonatore (Fabry-Pérot). Si tratta di una sfida, poiché le particelle neutre non possono essere controllate direttamente, ad esempio con campi elettrici. D'altra parte, la neutralità elettrica potrebbe anche essere un vantaggio: potrebbe consentire di rendere l'archiviazione dei dati quantistici meno sensibile ai campi di interferenza elettrica.