Gli elettroni possono abbandonare il loro consueto flusso caotico per cristallizzarsi in strutture ordinate e rigide, trasformando un materiale conduttore in un isolante. Questo fenomeno, teorizzato per la prima volta nel 1934 dal fisico Eugene Wigner, rappresenta una delle manifestazioni più affascinanti delle interazioni quantistiche e trova oggi applicazioni cruciali in tecnologie avanzate come il calcolo quantistico, i superconduttori ad alte prestazioni utilizzati nell'imaging medico e negli orologi atomici di precisione. Un gruppo di ricercatori della Florida State University ha ora identificato con precisione le condizioni che permettono la formazione di questi cristalli elettronici in una versione "generalizzata", aprendo scenari inediti per la manipolazione controllata degli stati della materia.
La ricerca, pubblicata sulla rivista npj Quantum Materials del gruppo Nature, porta la firma del postdoctoral fellow Aman Kumar del National High Magnetic Field Laboratory, del professor associato Hitesh Changlani e del professor assistente Cyprian Lewandowski. Il team ha concentrato la propria attenzione sui cristalli di Wigner generalizzati, una forma ibrida in cui gli elettroni si dispongono in reticoli solidi ma conservano simultaneamente la capacità di assumere configurazioni più fluide. A differenza dei cristalli di Wigner tradizionali, che mostrano esclusivamente strutture triangolari, questi nuovi arrangiamenti possono formare geometrie diverse come strisce o pattern a nido d'ape.
La metodologia adottata dai fisici ha richiesto l'impiego di strumenti computazionali estremamente sofisticati. Utilizzando le risorse del Research Computing Center della Florida State University e del programma ACCESS della National Science Foundation, i ricercatori hanno applicato tecniche avanzate quali la diagonalizzazione esatta, il gruppo di rinormalizzazione della matrice densità e le simulazioni Monte Carlo. Questi metodi hanno permesso di esplorare il comportamento degli elettroni in scenari differenti, processando quantità enormi di dati quantistici attraverso algoritmi capaci di comprimere e organizzare le informazioni in reti interpretabili.
La sfida computazionale deriva dalla natura stessa della meccanica quantistica: ogni elettrone è descritto da due parametri fondamentali, e quando centinaia o migliaia di particelle interagiscono simultaneamente, il volume totale di informazioni diventa esponenziale. Come spiega Kumar, il gruppo è riuscito a "mimare i risultati sperimentali attraverso la nostra comprensione teorica dello stato della materia, conducendo calcoli teorici precisi con reti tensoriali all'avanguardia e diagonalizzazione esatta per raccogliere dettagli sull'Hamiltoniano quantistico" – l'operatore matematico che rappresenta l'energia totale di un sistema quantistico.
Durante lo studio dei cristalli di Wigner generalizzati, i fisici hanno identificato un fenomeno completamente inaspettato: uno stato della materia che hanno denominato "fase pinball quantistica". In questa configurazione ibrida, gli elettroni esibiscono simultaneamente comportamenti isolanti e conduttivi: alcuni rimangono ancorati in posizioni fisse all'interno del reticolo cristallino, mentre altri si liberano e si muovono attraverso il materiale, rimbalzando tra le particelle statiche come palline in un flipper. Secondo Lewandowski, si tratta della prima osservazione documentata di questo unico effetto quanto-meccanico per la densità elettronica analizzata nello studio.
L'aspetto più promettente della ricerca risiede nell'identificazione delle "manopole quantistiche" che possono essere regolate per indurre transizioni di fase. Nel mondo macroscopico, aumentiamo la temperatura per trasformare l'acqua liquida in vapore; a livello quantistico, esistono scale energetiche alternative che permettono di manipolare gli stati della materia. Changlani sottolinea come il team abbia determinato quali parametri attivare per innescare la transizione verso il cristallo di Wigner generalizzato in sistemi moiré bidimensionali – strutture stratificate che creano pattern di interferenza periodici capaci di modificare profondamente le proprietà elettroniche dei materiali.
Le implicazioni tecnologiche di queste scoperte si estendono ben oltre la fisica fondamentale. La comprensione dettagliata dei cristalli di Wigner e degli stati correlati potrebbe rivoluzionare il campo della spintronica, un'area emergente della fisica della materia condensata che sfrutta lo spin degli elettroni – oltre alla loro carica – per sviluppare dispositivi nanoelettronici più veloci, efficienti e meno energivori rispetto alle tecnologie attuali. Questi progressi potrebbero tradursi in processori quantistici più stabili, superconduttori ottimizzati per applicazioni energetiche e medicali, e sistemi di misura di precisione senza precedenti.
La capacità di predire dove esistono determinate fasi della materia e come una fase può trasformarsi in un'altra rappresenta una frontiera cruciale della ricerca contemporanea. Il gruppo della Florida State University proseguirà ora nell'esplorazione di come gli elettroni cooperano e si influenzano reciprocamente in sistemi complessi, affrontando questioni fondamentali che potrebbero guidare innovazioni nelle tecnologie quantistiche, superconduttive e atomiche.