Immagina una palla che rimbalza sui lati di un tavolo da biliardo a forma di stadio. Indipendentemente da dove inizia la pallina, la sua traiettoria alla fine coprirà l’intero tavolo, e lo farà in modo apparentemente irregolare – in netto contrasto con il modo in cui un pianeta orbita attorno a una stella, per esempio. Questa imprevedibilità è un segno distintivo del caos, ma se la palla è in realtà una particella quantomeccanica, il suo comportamento caotico si manifesta nella comparsa di stati curiosi previsti quattro decenni fa.1. Queste “cicatrici quantistiche” sono state ora visualizzate direttamente in un sistema a stato solido, che Ge et al.2 riferire in Natura.
Leggi l’articolo: Visualizzazione diretta di cicatrici quantistiche relativistiche nei punti quantici di grafene
Nel caso classico, se la palla da biliardo è mirata con precisione, può seguire determinate traiettorie periodiche sul tavolo a forma di stadio: può rimbalzare avanti e indietro tra i lati paralleli del tavolo, per esempio, o tracciare la forma di un papillon. Ma queste traiettorie sono instabili: anche una piccola deviazione dal suo percorso periodico farà sì che la pallina alla fine visiti ogni punto del tavolo, con una probabilità trascurabile che ritorni alla sua traiettoria originale. Al contrario, la probabilità di trovare una particella quantistica aumenta lungo orbite che corrispondono alle traiettorie periodiche classiche, e questi stati ad alta probabilità formano le cicatrici quantistiche.
Poiché gli oggetti quantistici mostrano un comportamento sia particellare che ondulatorio, le cicatrici quantistiche possono formarsi anche nei sistemi classici. Ad esempio, sono state osservate cicatrici quantistiche in sistemi fluidi in cui le onde sono confinate da configurazioni che danno origine a comportamenti caotici (come quelli su un tavolo a forma di stadio).3,4. I ricercatori hanno anche cercato tracce di cicatrici quantistiche in sistemi di materia condensata come i punti quantici, che sono dispositivi a semiconduttore in grado di confinare i portatori di carica. Trovare tali cicatrici avrebbe implicazioni per le prestazioni dei dispositivi elettronici basati su questi minuscoli dispositivi, perché la maggiore probabilità di trovare portatori di carica lungo traiettorie specifiche potrebbe aumentare la loro conduttanza elettrica.
Tuttavia, osservare le cicatrici nei punti quantici si è rivelato un’impresa impegnativa: esperimenti precedenti5–7 erano limitati da una risoluzione spaziale insufficiente o da imperfezioni del campione. Ge et al. hanno affrontato questi problemi combinando una tecnica creativa per la fabbricazione di punti quantici con un metodo noto come microscopia a tunneling a scansione, che ha permesso loro di creare i punti e anche di visualizzare le cicatrici (Fig. 1).
Figura 1 | Rilevamento di cicatrici quantistiche nel grafene.Ge et al.2 ha utilizzato un dispositivo chiamato microscopio a effetto tunnel (STM), dotato di una punta metallica affilata, per fabbricare strutture note come punti quantici, che possono confinare i portatori di carica. Il loro sistema consisteva in grafene (un singolo strato di atomi di carbonio) sul materiale nitruro di boro esagonale (hBN) e i loro punti quantici erano a forma di stadio. Una particella confinata in questa forma può seguire una traiettoria periodica simile a un papillon, ma qualsiasi leggera perturbazione farà sì che la particella lasci questo percorso e non vi ritorni mai più. Tuttavia, nel caso di una particella quantomeccanica, come un elettrone, la probabilità di trovare la particella aumenta lungo la traiettoria del papillon, creando stati speciali noti come cicatrici quantistiche. Se le pareti del punto quantico non sono perfettamente verticali, le cicatrici assumono la forma di un simbolo di infinito invece che di un papillon. Ge et al. sono stati in grado di visualizzare direttamente queste cicatrici utilizzando un STM.
I punti quantici sono stati realizzati in grafene (un singolo strato di atomi di carbonio) sopra il materiale nitruro di boro esagonale (hBN). Per confinare i portatori di carica, i punti quantici dovevano assumere la forma di pozzi con bordi sufficientemente netti, cosa che gli autori hanno ottenuto utilizzando una tecnica sviluppata dai membri dello stesso team8. Modificando questo metodo per rendere i punti quantici a forma di stadio, anziché circolare, Ge et al. potrebbero indurre i portatori di carica a subire un movimento caotico, piuttosto che la dinamica regolare che avevano riportato in precedenza.
Gli autori hanno poi ripreso questo movimento con un microscopio a effetto tunnel (STM), un dispositivo dotato di una punta metallica affilata che esegue la scansione di un campione. Quando viene applicata una tensione tra la punta e il campione, il microscopio può misurare una proprietà correlata alla probabilità di trovare un elettrone in una determinata posizione in funzione dell’energia, e questa energia può essere regolata modificando la tensione. L’STM è quindi uno strumento ideale per visualizzare le cicatrici quantistiche, offrendo agli autori una risoluzione energetica estremamente elevata con cui immaginare i modelli dei portatori di carica nei loro punti quantici squisitamente realizzati.
Atomi neutri versatili assumono circuiti quantistici
Ge et al. hanno osservato due tipi di cicatrici quantistiche, che si manifestano come schemi di concentrazione che assomigliano a un papillon e a una striscia. In linea con le previsioni teoriche1ogni tipo di cicatrice appare a diverse energie. Fondamentalmente, gli elettroni che producono questi schemi si comportano come se fossero quasi relativistici, nel senso che la loro energia è direttamente proporzionale alla loro quantità di moto, come è vero per le particelle che si muovono alla velocità della luce. Ciò era evidente nelle energie misurate dal team. Ci si aspetta che le energie di diverse cicatrici corrispondenti alla stessa orbita instabile siano equidistanti quando i portatori di carica sono relativistici9e gli esperimenti di Ge e colleghi hanno verificato direttamente questa previsione per almeno due orbite periodiche.
Lo studio apre le porte a molteplici direzioni di ricerca. La capacità degli autori di confinare gli elettroni in punti quantici realizzati con precisione potrebbe consentire ai ricercatori di studiare le cicatrici quantistiche in geometrie di pozzi più complesse10. Un’altra possibilità interessante è che la creazione di pozzi extra all’interno dei punti quantici possa simulare l’introduzione di impurità, che potrebbero a loro volta essere utilizzate per modificare o addirittura controllare le proprietà delle cicatrici.11. E infine, Ge et al. congettura che la creazione e la manipolazione di cicatrici relativistiche nel grafene potrebbero essere utili per migliorare il trasporto di elettroni nel campo emergente dell’ottica elettronica, lo studio dei fasci di elettroni che imitano il comportamento della luce.
Più in generale, essere in grado di visualizzare direttamente le cicatrici in un sistema elettronico potrebbe consentire ai ricercatori di studiare come le interazioni (tra portatori di carica, ad esempio) potrebbero influenzare queste cicatrici. La presenza di interazioni dà origine a stati noti come cicatrici quantistiche a molti corpi, che hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni12,13. Ma si ritiene che le cicatrici a molti corpi si verifichino in sistemi in cui i “corpi” sono oggetti distinti – e interagenti –, il che rende difficile studiarli utilizzando le onde classiche. Forse il successo di Ge e colleghi con il grafene può allineare la ricerca consolidata sulle cicatrici quantistiche con gli sforzi per sondare le loro entusiasmanti controparti a molti corpi.
Interessi concorrenti
Gli autori non dichiarano interessi concorrenti.
