I fisici ricavano la materia dalla luce per trovare le singolarità quantistiche

Esperimenti che imitano materiali solidi con onde luminose rivelano la base quantistica di effetti fisici esotici

Molti materiali apparentemente banali, come l’acciaio inossidabile dei frigoriferi o il quarzo dei piani di lavoro, nascondono al loro interno una fisica affascinante. Questi materiali sono cristalli, che in fisica significa che sono costituiti da schemi ripetuti altamente ordinati di atomi regolarmente distanziati chiamati reticoli atomici. Il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso un reticolo, saltando da un atomo all'altro, determina molte delle proprietà di un solido, come il colore, la trasparenza e la capacità di condurre calore ed elettricità. Ad esempio, i metalli sono lucenti perché contengono molti elettroni liberi che possono assorbire la luce e poi riemetterne la maggior parte, facendo brillare le loro superfici.

In alcuni cristalli il comportamento degli elettroni può creare proprietà molto più esotiche. Il modo in cui gli elettroni si muovono all'interno del grafene - un cristallo fatto di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale - produce una versione estrema di un effetto quantistico chiamato tunneling, in base al quale le particelle possono attraversare le barriere energetiche che secondo la fisica classica dovrebbero bloccarle. Il grafene presenta anche un fenomeno chiamato effetto Hall quantistico: la quantità di elettricità che conduce aumenta in passi specifici la cui dimensione dipende da due costanti fondamentali dell'universo. Questo tipo di proprietà rendono il grafene intrinsecamente interessante e potenzialmente utile in applicazioni che vanno dal miglioramento dell’elettronica e dello stoccaggio dell’energia ai dispositivi biomedici migliorati.

Io e altri fisici vorremmo capire cosa sta succedendo all'interno del grafene a livello atomico, ma è difficile osservare l'azione su questa scala con la tecnologia attuale. Gli elettroni si muovono troppo velocemente perché possiamo catturare i dettagli che vogliamo vedere. Tuttavia, abbiamo trovato un modo intelligente per aggirare questa limitazione, trasformando la luce in materia. Al posto del reticolo atomico, utilizziamo le onde luminose per creare quello che chiamiamo reticolo ottico. Il nostro reticolo ottico ha esattamente la stessa geometria del reticolo atomico. In un recente esperimento, ad esempio, io e il mio team abbiamo realizzato una versione ottica del grafene con la stessa struttura reticolare a nido d'ape di quella standard in carbonio. Nel nostro sistema, facciamo saltare gli atomi freddi attorno a un reticolo di luce brillante e fioca proprio come gli elettroni saltano attorno agli atomi di carbonio nel grafene.

Con gli atomi freddi in un reticolo ottico, possiamo ingrandire il sistema e rallentare il processo di salto abbastanza da vedere effettivamente le particelle saltare ed effettuare misurazioni del processo. Il nostro sistema non è una perfetta emulazione del grafene, ma per comprendere i fenomeni che ci interessano è altrettanto valido. Possiamo persino studiare la fisica del reticolo in modi impossibili per i cristalli allo stato solido. I nostri esperimenti hanno rivelato proprietà speciali del nostro materiale sintetico che sono direttamente correlate alla bizzarra fisica che si manifesta nel grafene.

I fenomeni cristallini che indaghiamo derivano dal modo in cui la meccanica quantistica limita il movimento delle particelle ondulatorie. Dopotutto, sebbene gli elettroni in un cristallo abbiano massa, sono sia particelle che onde (lo stesso vale per i nostri atomi ultrafreddi). In un cristallo solido questi limiti limitano un singolo elettrone su un singolo atomo a un solo valore di energia per ogni possibile modello di movimento (chiamato stato quantistico). Tutte le altre quantità di energia sono vietate. Stati diversi hanno valori energetici separati e distinti – discreti. Ma un pezzo di cristallo solido delle dimensioni di un acino d’uva contiene tipicamente più atomi (circa 1023) di quanti siano i granelli di sabbia sulla Terra. Le interazioni tra questi atomi ed elettroni fanno sì che i valori energetici discreti consentiti si diffondano e si diffondano in intervalli consentiti di energia chiamati bande. Visualizzare la struttura delle bande di energia di un materiale può rivelare immediatamente qualcosa sulle proprietà di quel materiale.

Ad esempio, un grafico della struttura a bande del cristallo di silicio, un materiale comune utilizzato per realizzare celle solari sui tetti, mostra un intervallo di energia proibito, noto anche come gap di banda, largo 1,1 elettronvolt. Se gli elettroni possono saltare da stati con energie al di sotto di questo divario a stati con energie al di sopra di tale divario, possono fluire attraverso il cristallo. Fortunatamente per l’umanità, la banda proibita di questo abbondante materiale si sovrappone bene alle lunghezze d’onda presenti nella luce solare. Mentre il cristallo di silicio assorbe la luce solare, gli elettroni iniziano a fluire attraverso di esso, consentendo ai pannelli solari di convertire la luce in elettricità utilizzabile.