Nella fisica quantistica, alcuni dei fenomeni più enigmatici emergono quando materiali bidimensionali vengono combinati in particolari configurazioni. Superconduttività e forme insolite di magnetismo appaiono in questi sistemi ultrasottili, ma comprendere le ragioni profonde di tali comportamenti è rimasto a lungo una sfida. Una scoperta pubblicata su Nature Physics rivela ora un elemento nascosto che potrebbe fornire risposte decisive su come e perché si manifestino queste fasi quantistiche misteriose.
Un team di ricercatori guidato da James McIver, professore associato di fisica alla Columbia University, ha individuato una caratteristica fino a oggi ignorata: minuscoli impilamenti di materiali bidimensionali, comunemente studiati nei laboratori di tutto il mondo, possono formare spontaneamente delle cavità ottiche. Queste strutture confinano luce ed elettroni in spazi ancora più ridotti, alterando potenzialmente il loro comportamento in modi radicali. "Abbiamo scoperto uno strato nascosto di controllo nei materiali quantistici e aperto una via per modellare le interazioni luce-materia", ha dichiarato McIver.
La chiave della scoperta risiede in una nuova tecnica spettroscopica che utilizza radiazione terahertz, sviluppata quando McIver lavorava come responsabile di gruppo presso l'Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia ad Amburgo. L'istituto tedesco fa parte del Max Planck-New York Center on Nonequilibrium Quantum Phenomena, che include anche la Columbia, il Flatiron Institute e la Cornell University. I ricercatori del centro concentrano i loro sforzi su ciò che accade quando sistemi stabili vengono destabilizzati.
Il problema principale nell'osservazione dei materiali bidimensionali è legato alle dimensioni: le lunghezze d'onda della luce necessarie per sondarli sono molto più grandi dei materiali stessi, tipicamente più piccoli di un capello umano. Per risolvere questa disparità dimensionale, il gruppo ha sviluppato uno spettroscopio miniaturizzato, grande quanto un chip, capace di confinare la luce THz da 1 millimetro a soli 3 micrometri. Questa tecnologia permette di visualizzare il comportamento degli elettroni nei sistemi bidimensionali con una precisione senza precedenti.
Gli esperimenti iniziali si sono concentrati sul grafene per testare la capacità dello spettroscopio di misurare la conduttività ottica in un materiale già ben studiato. Con sorpresa dei ricercatori, sono emerse onde stazionarie inattese. Gunda Kipp, dottoranda all'MPSD e prima autrice della pubblicazione, spiega che i materiali bidimensionali si comportano spesso come scatole nere: "Illuminandoli, possiamo letteralmente fare luce sul comportamento nascosto dei loro elettroni, rivelando dettagli che altrimenti rimarrebbero invisibili".
Il fenomeno osservato ricorda quanto avviene con una corda di chitarra: la luce si accoppia agli elettroni formando quasiparticelle ibride che si muovono come onde. Sotto determinate condizioni, queste possono rimanere confinate, proprio come l'onda stazionaria su una corda di chitarra che produce una nota specifica. Nel caso della chitarra, le estremità fisse della corda definiscono i confini dell'onda stazionaria. In ottica, un effetto simile si ottiene tradizionalmente con due specchi che intrappolano la luce tra loro, creando una cavità.
La scoperta rivoluzionaria del team è che gli specchi potrebbero essere superflui. I bordi stessi del materiale agiscono già come superfici riflettenti. Con lo spettroscopio THz, i ricercatori hanno osservato che flussi eccitati di elettroni si riflettono sui bordi formando un particolare tipo di quasiparticella ibrida luce-materia chiamata plasmone polaritone.
Hope Bretscher, ricercatrice postdottorale all'MPSD e co-autrice principale, utilizza un'analogia efficace: "È come collegare due corde di chitarra; una volta collegate, la nota cambia. Nel nostro caso, cambia drasticamente". Il gruppo ha studiato dispositivi composti da più strati, ciascuno dei quali può funzionare come una cavità separata da poche decine di nanometri. I plasmoni che si formano in ogni strato possono a loro volta interagire, spesso in modo intenso.
Determinare esattamente le frequenze delle quasiparticelle vibranti e l'intensità dell'interazione tra luce e materia rappresentava la sfida successiva. Insieme a Marios Michael, anch'egli ricercatore postdottorale all'MPSD, il team ha sviluppato una teoria analitica che necessita solo di pochi parametri geometrici del campione per corrispondere alle osservazioni sperimentali. Questa teoria permette di estrarre le proprietà di un materiale con facilità e aiuterà a progettare campioni futuri per ottenere caratteristiche specifiche.
Tracciando le risonanze in funzione della densità dei portatori, della temperatura o del campo magnetico, i ricercatori potrebbero scoprire i meccanismi che guidano diverse fasi quantistiche. Mentre il lavoro pubblicato ha catturato plasmoni, il nuovo spettroscopio terahertz su scala chip dovrebbe essere in grado di osservare altri tipi di quasiparticelle che oscillano in un'ampia varietà di materiali bidimensionali. Il team sta già lavorando su nuovi campioni sia ad Amburgo che a New York.
Bretscher ammette che l'intero progetto è stato una scoperta un po' fortuita: "Non ci aspettavamo di vedere questi effetti di cavità, ma siamo entusiasti di usarli per manipolare fenomeni nei materiali quantistici". La possibilità che questi effetti stiano influenzando anche altri materiali e fasi apre prospettive intriganti per future ricerche e potenziali applicazioni nelle tecnologie quantistiche.
