Novant’anni dopo la sua teorizzazione, i fisici sono finalmente riusciti ad osservare il cristallo di Wigner, una struttura cristallina esotica formata da elettroni.
Finalmente svelato il cristallo di Wigner
Nel 1934, il fisico ungherese Eugene Wigner ha teorizzato l’esistenza di una nuova fase della materia: il cristallo di Wigner. Questa affascinante struttura si forma quando un gas di elettroni viene sottoposto a temperature estremamente basse. A queste temperature estreme, gli elettroni, che normalmente si comportano come un fluido caotico, perdono la loro energia cinetica e si dispongono in una struttura ordinata e regolare, simile a un cristallo solido.
Il cristallo di Wigner, una delle fasi quantistiche della materia più affascinanti mai teorizzate, è finalmente stato osservato direttamente per la prima volta. Questa scoperta rivoluzionaria, annunciata dal fisico Al Yazdani dell’Università di Princeton, rappresenta un traguardo significativo nella fisica della materia condensata e apre nuove strade per la comprensione del comportamento degli elettroni a basse temperature.
Il professor Yazdani ha spiegato: “Il cristallo di Wigner è un sistema quantistico unico nel suo genere, formato da elettroni liberi che si dispongono in una struttura cristallina ordinata a causa della loro repulsione elettrostatica. Per decenni, la sua esistenza era solo ipotetica, oggetto di numerose ricerche e tentativi di osservazione diretta.”
Osservata la struttura quantistica del cristallo di Wigner
La realizzazione sperimentale del cristallo di Wigner è stata possibile grazie a recenti progressi nella tecnologia di raffreddamento, che ha permesso di raggiungere le temperature estremamente basse necessarie per la sua formazione. In questo studio, pubblicato sulla rivista Nature, il team ha utilizzato un microscopio a scansione tunneling a bassissima temperatura per visualizzare direttamente la struttura cristallina degli elettroni all’interno di un materiale bidimensionale.
Un cristallo si riferisce al modo in cui gli atomi possono essere disposti nella materia solida. Nei tipici materiali cristallini, gli atomi sono legati tra loro in modo da formare uno schema ripetitivo nello spazio.
L’innovativo articolo di Wigner del 1934 ha proposto che gli elettroni potessero formare disposizioni simili, aiutati – e non ostacolati – dalla mutua repulsione generata dalla carica negativa trasportata.
Questi cristalli non si comporterebbero secondo la fisica classica, ma secondo la meccanica quantistica, con gli elettroni legati che non si comportano come particelle discrete ma come un’onda individuale. Una serie di esperimenti che coinvolgono sistemi bidimensionali progettati per rilevare gli esiti di questo comportamento hanno fornito prove indirette dell’esistenza del cristallo di Wigner.
Nonostante la teoria sia stata proposta decenni fa, la sua osservazione diretta è rimasta una sfida per i fisici fino a tempi recenti. Numerosi studi hanno cercato di individuare prove indirette della sua esistenza, analizzando gli effetti che si presume siano causati dalla sua formazione.
Yazdani ha dichiarato: “Ci sono letteralmente centinaia di articoli scientifici che studiano questi effetti e sostengono che i risultati devono essere dovuti al cristallo di Wigner. Tuttavia, non possiamo esserne completamente sicuri, perché nessuno di questi esperimenti ha mai visto direttamente il cristallo”.
Grafene ultra-pulito svela il segreto del cristallo di Wigner
Tenendo presente i difetti di questi esperimenti, un team guidato dai fisici Yen-Chen Tsui, Minhao He e Yuwen Hu dell’Università di Princeton ha progettato un esperimento che speravano avrebbe risolto i problemi precedenti e rivelato il cristallo.
Per indurre la formazione del cristallo di Wigner, i ricercatori hanno utilizzato campi magnetici applicati a un sottile strato di grafene. Tuttavia, non un grafene qualsiasi. La chiave del successo risiedeva nella purezza eccezionale del materiale.
Per osservare il cristallo in tutta la sua nitidezza, è stato fondamentale minimizzare qualsiasi interferenza causata da difetti o impurità. Pertanto, i ricercatori hanno impiegato un grafene di qualità eccezionale, il più incontaminato possibile. Questo materiale “ultra-pulito” ha presentato una struttura cristallina pressoché perfetta, riducendo al minimo la presenza di imperfezioni atomiche che avrebbero potuto distorcere la formazione del cristallo di Wigner o influenzarne le proprietà.
Due fogli di grafene sono stati preparati e disposti in una configurazione specifica prima di essere raffreddati fino a raggiungere una frazione sopra lo zero assoluto. È stato quindi applicato un campo magnetico per regolare la densità del gas di elettroni inserito tra gli strati.
Il cristallo di Wigner ha uno “sweet spot” di densità elettronica. Se la densità è troppo bassa, gli elettroni si allontaneranno a vicenda. Se la densità è troppo alta, gli elettroni si uniranno in un liquido elettronico.
Per misurare questa fase cristallina, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia a tunneling a scansione ( STM ) ad alta risoluzione. STM utilizza il tunneling quantistico per sondare materiali su scala atomica, dove la microscopia ottica non riesce a raggiungere.
Tsui ha spiegato: “Nel nostro esperimento, possiamo immaginare il sistema mentre sintonizziamo il numero di elettroni per unità di area. Cambiando semplicemente la densità, si può avviare questa transizione di fase e scoprire che gli elettroni si formano spontaneamente in un cristallo ordinato. Il nostro lavoro ha fornito le prime immagini dirette di questo cristallo”.
Le loro misurazioni hanno anche confermato i modelli che descrivono il reticolo come triangolare quando confinato in uno spazio 2D, anche se hanno scoperto che può rimanere stabile poiché la densità è sintonizzata in misura piuttosto ampia, contraddicendo le teorie precedenti secondo cui l’intervallo di densità deve essere piuttosto piccolo. Hanno anche scoperto che gli elettroni non occupano un singolo punto nel reticolo, ma una gamma sfocata di posizioni descritte come movimento del punto zero.
Yazdani ha concluso: “Gli elettroni, anche se congelati in un cristallo di Wigner, dovrebbero mostrare un forte movimento del punto zero. Si è scoperto che questo movimento quantistico copre un terzo della distanza tra loro, rendendo lo stesso un nuovo cristallo quantistico”.
