Come imbrigliare gli elettroni in un cristallo tridimensionale

Un team di fisici del MIT ha fatto una scoperta sorprendente nel campo della fisica dei materiali: sono riusciti a creare una banda elettronica piatta in un cristallo tridimensionale. Una banda elettronica piatta è uno stato in cui gli elettroni, che normalmente si muovono liberamente in un materiale, vengono confinati in una regione dello spazio e iniziano a comportarsi come se fossero una singola entità quantistica. Questo fenomeno potrebbe portare a nuove applicazioni tecnologiche, come la superconduttività, la computazione quantistica e l’elettronica avanzata.

L’articolo, pubblicato sulla rivista Nature con il titolo “Bande tridimensionali piatte in metallo di pirocloro CaNi2”, descrive il processo e le intuizioni che hanno permesso ai ricercatori di ottenere questo risultato. Il gruppo di ricerca ha utilizzato una particolare struttura cristallina chiamata pirocloro, che ha la forma di una serie di cubi simmetrici. Ogni faccia di questi cubi ha un motivo geometrico chiamato kagome, che è ispirato a un intreccio tradizionale giapponese. Questa struttura ha la proprietà di intrappolare gli elettroni in una rete bidimensionale, impedendo loro di saltare tra gli atomi.

Tuttavia, il gruppo di ricerca ha scoperto che, modificando la composizione chimica del cristallo, era possibile creare una banda elettronica piatta anche in tre dimensioni. In questo modo, gli elettroni venivano confinati in una gabbia tridimensionale, dove assumevano uno stato collettivo simile a uno zombie. Questo stato è molto raro e interessante da studiare, perché potrebbe far emergere nuove proprietà fisiche nei materiali.

Una di queste proprietà è la superconduttività, ovvero la capacità di trasportare l’elettricità senza perdite di energia. Il gruppo di ricerca ha dimostrato che, abbassando la temperatura del cristallo, era possibile trasformarlo in un superconduttore. Questa scoperta rappresenta un grande progresso rispetto a uno studio precedente del 2018, anch’esso pubblicato su Nature, che aveva ottenuto una banda elettronica piatta solo in due dimensioni, usando il motivo dei kagome.

Questa ricerca apre nuove possibilità per la fisica dei materiali e per lo sviluppo di nuove tecnologie. I ricercatori del MIT intendono continuare a esplorare altre strutture cristalline che potrebbero avere bande elettroniche piatte e altre proprietà emergenti.