I ricercatori hanno raggiunto un importante traguardo nella scienza quantistica, riuscendo per la prima volta a intrappolare gli elettroni in un cristallo tridimensionale. Questa scoperta ha permesso loro di studiare gli effetti quantistici che gli elettroni producono quando si trovano in uno stato chiamato “banda piatta elettronica”, che include la superconduttività.
In un materiale tridimensionale, un elettrone che si muove interagisce con la griglia degli atomi in modo diverso, e la sua energia cinetica è solitamente definita in termini di un intervallo o banda. Se la banda dell’elettrone è piatta, significa che l’intervallo è zero, il che implica che l’energia dell’elettrone è indipendente dall’interazione con la griglia. In altre parole, l’elettrone ha velocità zero e rimane bloccato in una posizione specifica.
Quando un elettrone si trova nella banda piatta, continua a interagire con gli elettroni degli atomi intorno alla sua posizione. Queste interazioni di solito hanno un’energia così bassa da essere trascurabili quando l’elettrone si muove nel materiale, ma diventano importanti quando l’elettrone rimane bloccato in un punto. In queste condizioni, emergono strane proprietà quantistiche come la superconduttività e altre interessanti proprietà elettromagnetiche.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile creare una banda piatta tridimensionale intrappolando l’elettrone in tutte e tre le dimensioni. Hanno utilizzato una griglia tridimensionale a forma di kagome, che è simile a quella utilizzata nell’arte tradizionale giapponese della tessitura di cesti. Griglie bidimensionali simili hanno già dimostrato la presenza di elettroni a banda piatta, quindi il team ha pensato che questa fosse una buona strategia per creare una banda piatta in 3D.
Attraverso una modifica chimica, il sistema è stato trasformato in un superconduttore, un materiale che permette agli elettroni di fluire senza resistenza. Per creare il cristallo, i ricercatori hanno sintetizzato cristalli di pirocloro in laboratorio, seguendo un processo simile a quello con cui la natura crea i cristalli. Hanno combinato calcio e nichel, li hanno fusi a temperature molto elevate, li hanno raffreddati e gli atomi si sono organizzati in una configurazione cristallina simile a una kagome. Sostituendo atomi di rodio e rutenio al posto del nichel, hanno ottenuto la stessa configurazione geometrica ma hanno spinto il valore della banda piatta a energia zero, il che ha portato alla superconduttività.
Questa scoperta apre nuove prospettive per la ricerca di materiali quantistici interessanti. I ricercatori hanno dimostrato che, utilizzando questa particolare disposizione atomica che intrappola gli elettroni, è possibile ottenere sempre bande piatte. Questo non è solo una coincidenza fortunata. Ora la sfida è ottimizzare questa scoperta per raggiungere il potenziale dei materiali a banda piatta, in modo da sostenere la superconduttività a temperature più elevate.
Questi cristalli, o materiali simili, potrebbero un giorno essere utilizzati per costruire linee di alimentazione ultra efficienti, creare potenti computer quantistici e dispositivi elettronici ancora più veloci. Questo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.
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