La possibilità di trasformare temporaneamente un semiconduttore ordinario in un materiale con proprietà esotiche, simili a quelle dei superconduttori, rappresenta uno degli obiettivi più ambiziosi della fisica quantistica contemporanea. Questo approccio, noto come ingegneria di Floquet, si basa sull'idea che influenze periodiche accuratamente calibrate possano rimodellare il comportamento degli elettroni all'interno di un materiale. Nonostante le basi teoriche di questa disciplina risalgano a una proposta del 2009 formulata da Oka e Aoki, le dimostrazioni sperimentali convincenti sono rimaste rare nell'ultimo decennio, ostacolate principalmente dalla necessità di utilizzare luce estremamente intensa che rischiava di danneggiare i campioni studiati.
Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) e dalla Stanford University ha ora identificato una soluzione promettente a questo problema fondamentale. I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Physics, dimostrano che gli eccitoni possono indurre effetti di Floquet con un'efficienza molto superiore rispetto alla luce, aprendo una via alternativa per il controllo dei materiali quantistici senza ricorrere a condizioni energetiche estreme.
Gli eccitoni sono quasiparticelle che si formano nei semiconduttori quando un elettrone assorbe energia e passa dalla banda di valenza, il suo stato di riposo, alla banda di conduzione a energia più elevata. Questo processo lascia dietro di sé una lacuna con carica positiva, e l'elettrone e la lacuna rimangono legati in una coppia effimera fino a quando l'elettrone non ritorna al suo stato iniziale emettendo luce. A differenza dei fotoni esterni, gli eccitoni originano dagli stessi elettroni del materiale e interagiscono quindi con la struttura circostante in modo molto più intenso.
Come spiega il professor Keshav Dani dell'Unità di Spettroscopia Femtosecondo presso l'OIST, "gli eccitoni si accoppiano al materiale in modo molto più forte dei fotoni grazie alla potente interazione coulombiana, particolarmente nei materiali bidimensionali". Questa caratteristica consente di ottenere effetti di Floquet significativi evitando le sfide poste dall'uso della luce ad alta intensità, con la prospettiva di un nuovo percorso verso dispositivi e materiali quantistici esotici.
Il principio fisico alla base dell'ingegneria di Floquet può essere compreso attraverso un'analogia familiare: quando un sistema subisce un'influenza ripetitiva, la sua risposta può diventare più complessa della semplice ripetizione. È ciò che accade con un'altalena, dove spinte sincronizzate fanno salire l'altalena sempre più in alto mantenendo un movimento ritmico. Nei materiali quantistici, gli elettroni sperimentano già una struttura ripetitiva dovuta all'arrangiamento ordinato degli atomi nel reticolo cristallino, che li confina a specifici livelli energetici chiamati bande.
Quando la luce con una frequenza fissa interagisce con il cristallo, introduce una seconda influenza periodica che si sviluppa nel tempo. Man mano che i fotoni interagiscono ritmicamente con gli elettroni, le bande energetiche consentite si spostano. Regolando accuratamente frequenza e intensità della luce, gli elettroni possono occupare temporaneamente nuove bande energetiche ibride, alterando il modo in cui si muovono e interagiscono, e quindi modificando le proprietà complessive del materiale.
Tuttavia, come sottolinea Xing Zhu, dottorando presso l'OIST, l'ingegneria di Floquet basata sulla luce presenta limiti intrinseci: la luce si accoppia debolmente alla materia, richiedendo frequenze molto elevate, spesso su scala femtosecondo, per ottenere l'ibridazione desiderata. Tali livelli energetici tendono a vaporizzare il materiale e gli effetti sono di brevissima durata. Al contrario, l'ingegneria di Floquet eccitonica richiede intensità molto inferiori.
Il professor Gianluca Stefanucci dell'Università di Roma Tor Vergata, coautore dello studio, chiarisce il meccanismo: gli eccitoni trasportano energia auto-oscillante, derivante dall'eccitazione iniziale, che influenza gli elettroni circostanti nel materiale a frequenze regolabili. Poiché gli eccitoni vengono creati dagli elettroni del materiale stesso, il loro accoppiamento è molto più forte di quello della luce. Un aspetto cruciale è che serve significativamente meno luce per creare una popolazione di eccitoni sufficientemente densa da funzionare come azionamento periodico efficace per l'ibridazione.
La dimostrazione sperimentale si è basata sul sistema TR-ARPES (spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo e angolo) sviluppato all'OIST dopo anni di ricerca sugli eccitoni. Per separare gli effetti della luce da quelli degli eccitoni, il team ha studiato un semiconduttore atomicamente sottile applicando prima un impulso ottico intenso per osservare direttamente i cambiamenti nella struttura delle bande elettroniche, confermando il comportamento di Floquet atteso. Successivamente hanno ridotto l'intensità luminosa di oltre un ordine di grandezza e misurato la risposta elettronica 200 femtosecondi dopo, un intervallo temporale che ha permesso di isolare il contributo eccitonico.
Il dottor Vivek Pareek, che ha completato il dottorato all'OIST ed è ora Presidential Postdoctoral Fellow al California Institute of Technology, sottolinea l'evidenza dei risultati sperimentali: mentre per osservare le repliche di Floquet con la luce sono state necessarie decine di ore di acquisizione dati, l'approccio eccitonico ha richiesto solo circa due ore, producendo un effetto molto più intenso.
Questa scoperta dimostra che gli effetti di Floquet non sono limitati alle tecniche basate sulla luce, ma possono essere generati in modo affidabile utilizzando altre particelle bosoniche oltre ai fotoni. In linea di principio, effetti simili potrebbero essere ottenuti utilizzando fononi (attraverso vibrazioni acustiche), plasmoni (mediante elettroni liberi), magnoni (utilizzando campi magnetici) e altre eccitazioni. Come conclude il dottor David Bacon, ex ricercatore OIST ora presso l'University College London e coautore principale dello studio, "abbiamo aperto le porte alla fisica di Floquet applicata, estendendola a un'ampia varietà di bosoni". Non esiste ancora una ricetta definita per questo approccio, ma ora i ricercatori dispongono della firma spettrale necessaria per i primi passi pratici verso la creazione e manipolazione diretta di materiali quantistici con proprietà su misura.
