La scoperta di un fenomeno quantistico straordinario potrebbe rivoluzionare il modo in cui rileviamo le molecole e sviluppiamo sensori di nuova generazione. Un team della Rice University ha dimostrato che le vibrazioni atomiche, i fononi, possono interferire tra loro con un’intensità mai osservata prima, aprendo la strada a nuove applicazioni che spaziano dal rilevamento molecolare alle tecnologie quantistiche. Il risultato, pubblicato su Science Advances, rappresenta un salto di due ordini di grandezza rispetto alle interferenze fotoniche documentate finora.
L’interferenza quantistica che cambia le regole del gioco
Nella fisica quantistica l’interferenza è un fenomeno noto: come onde in acqua possono amplificarsi o annullarsi, così fanno le particelle subatomiche. Mentre elettroni e fotoni sono stati studiati a fondo, i fononi – i quanti di vibrazione che costituiscono le unità più piccole di calore e suono – sono rimasti a lungo poco esplorati. «È un’opportunità mancata», spiega Kunyan Zhang, primo autore dello studio, «perché i fononi conservano a lungo il loro comportamento ondulatorio, rendendoli ideali per dispositivi stabili e ad alte prestazioni».
La chiave del successo è stata una configurazione particolare: un metallo bidimensionale su una base di carburo di silicio. Con la tecnica dell’eteroepitassia di confinamento, i ricercatori hanno intercalato strati di atomi d’argento tra grafene e carburo di silicio, creando un’interfaccia dalle proprietà quantistiche eccezionali.
Una sensibilità da record per il rilevamento molecolare
Le misurazioni Raman hanno mostrato profili spettrali asimmetrici e, in alcuni casi, una soppressione totale del segnale, tipica della risonanza di Fano. Questa interferenza si è rivelata estremamente sensibile alla superficie del carburo di silicio. La prova più sorprendente è arrivata introducendo una singola molecola di colorante: la linea spettrale è cambiata drasticamente. «Questa interferenza può rilevare la presenza di una singola molecola», sottolinea Zhang, «senza etichette e con una configurazione semplice e scalabile».
Esperimenti a basse temperature hanno confermato che l’effetto nasce solo dall’interazione tra fononi, senza contributo degli elettroni. È stato osservato esclusivamente nella combinazione metallo 2D/carburo di silicio, grazie ai percorsi di transizione unici creati dallo strato metallico sottilissimo.
Le prospettive includono l’uso di altri metalli bidimensionali, come gallio o indio, per progettare interfacce con proprietà quantistiche su misura.
Applicazioni rivoluzionarie all’orizzonte
«Rispetto ai sensori tradizionali, il nostro metodo offre altissima sensibilità senza etichette chimiche né configurazioni complesse», evidenzia Shengxi Huang, autore corrispondente dello studio. Oltre al rilevamento molecolare, questo approccio apre possibilità nella gestione termica, nella raccolta di energia e nelle tecnologie quantistiche, dove controllare le vibrazioni è cruciale.
Sostenuta dalla National Science Foundation e da altri enti, la ricerca dimostra come i fononi possano essere sfruttati con la stessa efficacia di luce ed elettroni, aprendo la strada a una nuova generazione di tecnologie quantistiche e ridefinendo i confini del sensing molecolare.
