Un team internazionale, guidato dall’Università di Ginevra (UNIGE), ha creato un materiale quantistico che consente di curvare su richiesta il tessuto dello spazio abitato dagli elettroni.
L’avvento delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione all’avanguardia presenta agli scienziati e all’industria nuovi ostacoli da superare. Per affrontare queste sfide, la progettazione di nuovi materiali quantistici, che traggono le loro straordinarie caratteristiche dai principi della fisica quantistica, sembra sia l’approccio più promettente.
Una collaborazione globale guidata dall’Università di Ginevra (UNIGE) e composta da ricercatori delle università di Salerno, Utrecht e Delft, ha sviluppato un materiale che consente il controllo della dinamica degli elettroni curvando il tessuto dello spazio in cui si evolvono. Questo progresso è promettente per i futuri dispositivi elettronici, in particolare nel campo dell’optoelettronica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials.
Si tratta di prestazioni impensabili con gli attuali materiali semiconduttori, come il silicio, ampiamente utilizzato nei componenti elettronici dei nostri telefoni, computer e console di gioco. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati e l’industria si stanno concentrando sulla progettazione di nuovi materiali quantistici.
Grazie alle loro proprietà uniche – in particolare le reazioni collettive degli elettroni che li compongono – questi materiali quantistici potrebbero essere utilizzati per catturare, manipolare e trasmettere segnali che trasportano informazioni (ad esempio i fotoni, nel caso delle telecomunicazioni quantistiche) all’interno di nuovi dispositivi elettronici. Inoltre, possono operare in gamme di frequenze elettromagnetiche non ancora esplorate, aprendo così la strada a sistemi di comunicazione ad altissima velocità.
Controllare la curvatura del tessuto dello spazio
”Una delle proprietà più affascinanti della materia quantistica è che gli elettroni possono evolversi in uno spazio curvo. I campi di forza, a causa di questa distorsione dello spazio abitato dagli elettroni, generano dinamiche totalmente assenti nei materiali convenzionali. Si tratta di un’eccezionale applicazione del principio di sovrapposizione quantistica”, spiega Andrea Caviglia, professore ordinario presso il Dipartimento di Fisica Quantistica della Materia della Facoltà di Scienze dell’UNIGE e ultimo autore dello studio.
Dopo un primo studio teorico, il team internazionale di ricercatori delle Università di Ginevra, Salerno, Utrecht e Delft ha progettato un materiale in cui la curvatura del tessuto spaziale è controllabile.
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‘‘Abbiamo progettato un’interfaccia che ospita uno strato estremamente sottile di elettroni liberi. È racchiusa tra il titanato di stronzio e l’alluminato di lantanio, che sono due ossidi isolanti”, spiega Carmine Ortix, professore all’Università di Salerno e coordinatore dello studio teorico. Questa combinazione permette di ottenere particolari configurazioni geometriche elettroniche che possono essere controllate a richiesta.
Un atomo alla volta
Per raggiungere questo obiettivo, il team di ricerca ha utilizzato un sistema avanzato per fabbricare materiali su scala atomica. Utilizzando impulsi laser, ogni strato di atomi è stato impilato uno dopo l’altro. ”Questo metodo ci ha permesso di creare speciali combinazioni di atomi nello spazio che influenzano il comportamento del materiale”, precisano i ricercatori.
Mentre la prospettiva dell’uso tecnologico è ancora lontana, questo nuovo materiale apre nuove strade nell’esplorazione della manipolazione del segnale elettromagnetico ad altissima velocità. Questi risultati potranno anche essere usati per sviluppare nuovi sensori. Il prossimo passo per il team di ricerca sarà osservare ulteriormente come questo materiale reagisce alle alte frequenze elettromagnetiche per determinare con maggiore precisione le sue potenziali applicazioni.
Riferimento bibliografico: “Designing spin and orbital sources of Berry curvature at oxide interfaces” di Edouard Lesne, Yildiz G. Saglam, Raffaele Battilomo, Maria Teresa Mercaldo, Thierry C. van Thiel, Ulderico Filippozzi, Canio Noce, Mario Cuoco, Gary A. Steele , Carmine Ortix e Andrea D. Caviglia, 16 marzo 2023, Nature Materials .
DOI: 10.1038/s41563-023-01498-0
