Liquidi elettronici all'avanguardia

Gli scienziati hanno condotto esperimenti che mostrano come un fluido elettronico unidimensionale può essere controllato a un livello senza precedenti

Quando si cammina in un centro commerciale affollato, è più facile mantenere il distanziamento sociale quando si attraversa un grande atrio rispetto a quando si è su una scala mobile. Lo stesso vale per gli elettroni: se costretti in circostanze in cui devono muoversi in fila indiana, la repulsione elettrica tra di loro può alterare il flusso di corrente elettrica. Ciò dà origine a speciali proprietà dei materiali che sono a lungo ricercate dai fisici, per la costruzione di computer quantistici resistenti ai guasti.

Nei sistemi unidimensionali (1D), le interazioni elettroniche portano alla rottura della teoria del liquido di Fermi e alla formazione di un Tomonaga-Luttinger Liquid (TLL). La forza delle sue correlazioni a molti corpi può essere quantificata da un singolo parametro adimensionale, il parametro di Luttinger K, che caratterizza la competizione tra le energie cinetiche ed elettrostatiche degli elettroni. Recentemente, sono state riportate le firme di un Tomonaga-Luttinger Liquid per gli stati marginali topologici degli isolanti di quantum spin Hall (QSH), strutture elettroniche rigorosamente 1D con dispersione lineare (Dirac) e bloccaggio dello spin-momentum.

Il professore assistente di Nanyang, Bent Weber, membro della facoltà della NTU’s School of Physical and Mathematical Sciences, sta studiando queste fasi esotiche della materia utilizzando la microscopia a scansione di tunnel, una tecnica che consente di analizzare i materiali atomo per atomo. Di recente, il suo team ha condotto esperimenti che mostrano come un fluido elettronico unidimensionale può essere controllato a un livello senza precedenti. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications (1).

Uno strano liquido quantistico

Gli elettroni si respingono perché sono tutti carichi negativamente. Nei normali materiali tridimensionali, questa repulsione è tipicamente smorzata dalla libertà degli elettroni di muoversi liberamente ed evitarsi a vicenda. Ma in situazioni in cui gli elettroni sono limitati a muoversi uno per uno in un'unica direzione, questa libertà può essere gravemente frenata. Come le persone bloccate su una scala mobile affollata, gli elettroni sono bloccati in un movimento collettivo: ogni elettrone può muoversi solo se tutti si muovono.

Ciò che è più difficile da cogliere dalla semplice intuizione è che, in virtù delle interazioni tra di loro, gli elettroni possono condensarsi in un nuovo stato liquido a basse temperature in cui perdono la loro identità individuale e si comportano collettivamente come se fossero particelle completamente diverse.

Questo è chiamato liquido Tomonaga-Luttinger, una fase rara della materia che i fisici hanno cercato di comprendere per oltre mezzo secolo. Sfortunatamente, gli studi sperimentali sui liquidi Tomonaga-Luttinger sono stati ostacolati dal fatto che appaiono solo in alcune impostazioni speciali, come nanotubi di carbonio e fili metallici atomicamente sottili. Inoltre, la misurazione delle loro proprietà richiede tecniche sperimentali molto più sensibili rispetto a quelle utilizzate nello studio dei materiali convenzionali.

Nel loro nuovo studio, Il dottor Bent Weber (2) e il suo team si sono concentrati su un ambiente speciale in cui possono formarsi liquidi Tomonaga-Luttinger, basato su materiali bidimensionali chiamati quantum spin Hall (QSH) insulators. Questi materiali sono elettricamente isolanti all'interno, consentendo agli elettroni di risiedere solo sui loro confini unidimensionali o “bordi”.

Gli elettroni su questo bordo possiedono una proprietà che manca in altri liquidi Tomonaga-Luttinger: sono “elicoidali”, il che significa che la rotazione di ogni elettrone (che descrive la sua autorotazione, come la rotazione di un pallone da calcio) è bloccata nella direzione in cui si muove. Questo conferisce al liquido Tomonaga-Luttinger proprietà molto insolite.

Studi teorici hanno previsto che quando la temperatura si riduce quasi allo zero assoluto (-273,15°C), gli elettroni in un liquido elicoidale Tomonaga-Luttinger si raggruppano spontaneamente in entità chiamate “parafermioni”, composte da quattro elettroni ciascuna. I parafermioni possono codificare le informazioni quantistiche in un modo resistente alla corruzione, cosa di cui soffrono gli attuali computer quantistici. Le tecnologie quantistiche basate sui parafermioni avrebbero letteralmente un “vantaggio” rispetto ad altri approcci, consentendo il calcolo quantistico tollerante ai guasti.

Nei loro esperimenti, il team del Professor Bent Weber ha sondato i confini unidimensionali degli isolanti di Hall di spin quantistico in una varietà di condizioni e, con l'aiuto di modelli teorici, ne ha caratterizzato le proprietà. La forza delle interazioni in un liquido di Luttinger è determinata da un singolo parametro, il parametro di Luttinger K, che caratterizza se gli elettroni non sono influenzati o influenzati dalla loro repulsione reciproca.

«Quando K=1, gli elettroni non interagiscono affatto», spiega il dottor Weber. «Quando K è inferiore a 0,5, le interazioni sono forti e gli elettroni sono costretti a un movimento collettivo. Questa è la situazione in cui si prevede che esistano i parafermioni».

Il team ha scoperto che K è fortemente influenzato dalla scelta del substrato, ovvero il materiale di base su cui è impiantato il sistema. Inoltre, le interazioni sono più forti su alcuni tipi di bordi. Variando questi parametri, il team ha ottenuto valori K compresi tra 0,21 e 0,33.

«Si tratta di un range di variazione davvero notevole, poiché il parametro Luttinger può variare solo tra zero e uno», afferma il professor Weber. «Inoltre, valori di K così bassi non sono mai stati osservati prima in nessun liquido Tomonaga-Luttinger elicoidale».

Il Signor Junxiang Jia, uno studente di dottorato Asst. Prof. Weber’s group e primo autore dello studio, ricorda la difficoltà degli esperimenti. «La spettroscopia di tunneling a scansione è stata eseguita a temperature di 4,5 K e dovevamo individuare le caratteristiche entro meno di 30 nanometri», osserva. «In futuro, una delle nostre maggiori sfide sarà il passaggio a temperature ancora più basse, necessarie per osservare i parafermioni. Per questo, abbiamo bisogno di attrezzature molto più avanzate».

Il posto più “cool” per la ricerca sulla microscopia a Singapore

L'Asst. Prof. Weber’s group può dedicare del tempo ad esplorare questa frontiera sperimentale, grazie al recente completamento del suo Laboratorio di Ultra-Low Vibration presso NTU. Questa nuova struttura è stata appositamente progettata per combinare un ambiente a bassissime vibrazioni con apparecchiature all'avanguardia per la microscopia a scansione a tunnel a temperature più basse rispetto a quanto mai raggiunto prima a Singapore.

Un microscopio a scansione a effetto tunnel funziona portando una punta di metallo estremamente affilata all'interno di un nanometro o meno dalla superficie del materiale. L'applicazione di una tensione tra la punta e il campione provoca il “tunnel” degli elettroni attraverso lo spazio vuoto che li separa e viene creata un'immagine misurando le variazioni nella corrente di tunneling mentre la punta viene trascinata sulla superficie. Poiché la corrente è esponenzialmente sensibile alla separazione punta-campione, il microscopio può risolvere anche le più deboli ondulazioni atomiche sulla superficie, fino al punto di “imaging” gli atomi.

Come effetto collaterale indesiderato di questa sensibilità, le vibrazioni fisiche nell'ambiente, ad esempio causate da persone che camminano, porte che si chiudono, ascensori in funzione, passaggio di automobili o persino terremoti lontani, limiteranno l'accuratezza della misurazione.

Per mitigare questo problema, è stato creato un nuovo spazio laboratorio al piano interrato di un edificio del campus NTU. L'Ultra-low Vibration Laboratory ospita il microscopio su un blocco di cemento di 55 tonnellate separato dal resto dell'edificio. Il blocco stesso è sospeso da cuscini d'aria che regolano attivamente i propri spostamenti fino a sei gradi di margine, al fine di annullare le vibrazioni in ingresso.

«Se sei stato in un laboratorio di ricerca di ottica o fotonica, pensa a un enorme tavolo ottico. Funziona su principi simili, tranne per il fatto che è davvero molto pesante», afferma il dottor Weber. «La cancellazione attiva delle vibrazioni per tali masse straordinarie è una tecnologia nuovissima, fornita da BILZ, Germania. È stato distribuito solo in una manciata di strutture in tutto il mondo».

«Per rilevare i livelli di vibrazione del pavimento sul blocco, abbiamo introdotto alcuni dei sismometri più sensibili sul mercato. Hanno confermato che i livelli di vibrazione possono competere con i laboratori più avanzati del mondo», afferma il dottor Yande Que (3), ricercatore presso l'Asst. Prof. Weber’s group. (4)

Un altro fattore limitante per gli esperimenti di microscopia a scansione di tunneling è la temperatura. Il nuovo laboratorio ospita il primo microscopio a tunneling a scansione disponibile in commercio in grado di funzionare a temperature di milli-Kelvin (mK): l'USM1600 prodotto da Unisoku, in Giappone. Meno di dieci di questi microscopi sono stati installati in tutto il mondo e questo è l'unico a Singapore.

In prove, Weber e il suo team hanno dimostrato che il loro microscopio può raggiungere temperature efficaci (“elettroniche”) inferiori a 150 mK (o -273°C), che dovrebbero essere sufficientemente basse per rilevare i parafermioni.

«Aver portato a termine con successo un progetto di costruzione di laboratori così ambizioso durante la pandemia di COVID, lavorando con un budget limitato in mezzo all'inflazione e alla carenza di manodopera, è un miracolo al limite», afferma il professor Weber. «Complimenti a tutte le persone coinvolte, a partire dall'ufficio infrastrutturale e dai consulenti della NTU, dall'impresa edile e, infine, ai nostri fornitori di apparecchiature scientifiche per aver fornito la massima qualità in tempo».

La ricerca trattata in questo articolo e lo sviluppo dell'Ultra-Low Vibration Laboratory sono stati finanziati dalla National Research Foundation (NRF) di Singapore, nell'ambito del programma di ricerca competitivo “Towards On-Chip Topological Quantum Devices”.

Riferimenti:

(1) Tuning the many-body interactions in a helical Luttinger liquid

(2) Bent Weber

(3) Yande Que

(4) Weber Lab

Descrizione foto: Liquidi elettronici al microscopio. Una vista ravvicinata della camera ad ultra alto vuoto del nuovo microscopio a scansione di tunneling presso NTU. Il nuovo microscopio è montato su un blocco di cemento da 55 tonnellate sostenuto da cuscini d'aria. - Credit: M. Fadly.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Electron Liquids on the Cutting Edge