I fisici del MIT hanno stuzzicato un materiale quantistico con i laser e hanno scoperto che gli elettroni possono riorganizzarsi in due modi molto diversi: uno liscio come l'acqua che evapora, l'altro grumoso come il ghiaccio che congela. Lo studio, pubblicato su Nature Physics, fa luce su come più fasi elettroniche possano coesistere nello stesso materiale, il che un giorno potrebbe aiutarci a costruire dispositivi quantistici migliori e, beh, magari sostituire il silicio.

"La gente crede che la pietra angolare per sostituire il silicio risieda nei materiali quantistici con più fasi coesistenti", afferma il coautore Alfred Zong PhD '20, ora professore assistente alla Stanford University. "Il nostro esperimento fornisce un modo molto pulito per studiare queste fasi multiple."

I ricercatori, guidati da Nuh Gedik, professore di fisica Donner al MIT, hanno studiato il tritellururo di erbio, un materiale di terre rare con un serio atteggiamento elettronico. In condizioni ordinarie, gli elettroni sono distribuiti uniformemente, ma raffreddandolo iniziano a formare una disposizione a onde chiamata onda di densità di carica (CDW). Raffreddandolo ancora di più, appare una seconda onda perpendicolare alla prima, creando una scacchiera su scala atomica che farebbe invidia a qualsiasi gran maestro di scacchi.

Il team è riuscito a separare le due fasi e a osservare come si formano ciascuna. La prima fase, quella 'dominante', appare gradualmente attraverso il materiale, come l'acqua che diventa vapore. La seconda fase, 'subdominante', invece, inizia in sacche isolate e si espande verso l'esterno, proprio come i cristalli di ghiaccio che si formano nel tuo drink. Questa differenza è fondamentale: la prima è una transizione di secondo ordine da manuale, mentre la seconda è una transizione di primo ordine, e questo è sorprendente.

"Il meccanismo responsabile dell'emergere di questa seconda fase è stato a lungo dibattuto, e il nostro approccio fornisce un nuovo potente modo per scoprire la fisica nascosta dietro le transizioni di fase nei materiali quantistici", dice Gedik.

L'esperimento è stato un classico 'scuoti e ascolta'. Il team ha raffreddato campioni atomically thin di tritellururo di erbio a circa -230 gradi Celsius, poi li ha colpiti con due impulsi laser. Il primo impulso 'scuoteva' il sistema, rompendo la scacchiera elettronica, e il secondo impulso scattava istantanee di come gli elettroni si riprendevano nel tempo. L'onda dominante rimbalzava indietro senza intoppi non importa quanto forte la colpissero, ma l'onda subdominante cresceva da semi sparsi, come cristalli di ghiaccio che si formano in acqua superraffreddata.

Questo comportamento non era previsto, e finalmente identifica il meccanismo a lungo dibattuto dietro la seconda fase CDW. E mentre il tritellururo di erbio è interessante di per sé, il vero premio è capire materiali più complessi come i superconduttori ad alta temperatura, dove più fasi (magnetismo, superconduttività, CDW) coesistono e interagiscono.

"In sistemi molto più complessi, come i superconduttori ad alta temperatura, si vede che ci sono più fasi - magnetismo, superconduttività, onde di densità di carica - e tutte esistono insieme", dice Gedik. "Una delle teorie è che il modo in cui interagiscono tra loro sia la chiave per le loro proprietà esotiche. Le lezioni che impariamo qui possono essere applicate a materiali molto più complessi."

La ricerca è stata sostenuta dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dalla National Science Foundation degli Stati Uniti e dalla sovvenzione EPiQS Initiative della Gordon and Betty Moore Foundation. Materiali forniti dal Massachusetts Institute of Technology. Scritto originariamente da Jennifer Chu. Nota: Il contenuto può essere modificato per stile e lunghezza.