In un metallo bidimensionale, onde elettroniche sono state osservate intrappolate vicino a difetti atomici, anche se nel materiale esistono percorsi attraverso cui potrebbero propagarsi. È la prima prova sperimentale, in un metallo, di uno stato legato nel continuo, o BIC, un fenomeno quantistico previsto da tempo. La scoperta, condotta da ricercatori della Columbia University, è stata pubblicata il 22 ottobre 2026 su Science.
Il materiale studiato è il Pd5AlI2, un metallo che può essere suddiviso in strati sottili senza perdere le proprie proprietà metalliche. Gli elettroni al suo interno non si comportano sempre come particelle libere: in prossimità di alcuni difetti del reticolo cristallino, la struttura atomica crea percorsi concorrenti tra gli atomi. Le onde associate agli elettroni possono così sovrapporsi e annullarsi, limitando la propagazione e lasciando gli elettroni confinati.
«Gli elettroni legati non dovrebbero trovarsi in un metallo, eppure nel Pd5AlI2 ci sono. Ciò che abbiamo osservato è la prima prova chiara che l’interferenza quantistica può intrappolare uno stato in un metallo», ha dichiarato Raquel Queiroz, fisica teorica della Columbia.
In meccanica quantistica gli elettroni sono descritti anche come onde, capaci di seguire più traiettorie. Quando si sovrappongono, queste onde possono rafforzarsi oppure cancellarsi a vicenda. In condizioni particolari, l’interferenza distruttiva impedisce a un’onda di propagarsi, anche se altri stati elettronici possono attraversare lo stesso materiale. È questo il principio alla base degli stati legati nel continuo.
«La meccanica quantistica prevede che, in teoria, un’onda elettronica possa restare intrappolata anche quando esistono infiniti percorsi per sfuggire. Questo effetto è noto per le onde luminose, ma finora non era mai stato osservato negli elettroni», ha detto Queiroz.
Il Pd5AlI2 è stato sviluppato nel laboratorio di Xavier Roy, chimico della Columbia. Le prime misurazioni hanno mostrato che gli elettroni si muovevano più lentamente del previsto. In collaborazione con Queiroz e con i fisici sperimentali Cory Dean e Aravind Devarakonda, il gruppo ha ricondotto il comportamento alla cosiddetta frustrazione del salto elettronico: la presenza di percorsi concorrenti tra gli atomi ostacola il movimento degli elettroni attraverso l’interferenza distruttiva. Devarakonda, già ricercatore post-dottorato alla Columbia, è ora professore associato di fisica applicata presso la stessa università. Questi risultati sono stati pubblicati su Nature Physics.
Morgan Thinel, Pasupathy Lab/Columbia University
In una fase successiva, ricercatori che collaboravano con Abhay Pasupathy, fisico della Columbia, hanno esaminato il materiale con tecniche di scansione e spettroscopia su scala atomica. Hanno rilevato schemi inattesi e, con ulteriori analisi, onde elettroniche intrappolate vicino a difetti del reticolo cristallino. Queiroz ha elaborato modelli teorici per spiegare come l’interferenza quantistica produca questi stati localizzati.
Stati legati nel continuo erano già stati dimostrati con la luce e hanno contribuito allo sviluppo di laser, sensori ottici e tecniche di ottica non lineare. Il nuovo risultato mostra che un fenomeno analogo può verificarsi anche con gli elettroni in un metallo.
«L’idea di intrappolare un’onda è antica quanto la meccanica quantistica, ma ci è voluto quasi un secolo per capire come farlo con la luce. Ora ci siamo riusciti con gli elettroni in un materiale», ha detto Roy. «E se intrappoli una particella, puoi manipolarla».
In prospettiva, gli stati elettronici legati potrebbero essere utili per sviluppare sensori quantistici molto sensibili, sistemi di elaborazione dell’informazione quantistica e applicazioni di chimica quantistica. Per ora, però, controllarne la formazione resta difficile: nel Pd5AlI2 le trappole si creano attorno a difetti che compaiono casualmente durante la crescita del cristallo. Roy e Pasupathy stanno studiando come collocare intenzionalmente i difetti e controllare i modelli di interferenza che ne derivano. La scoperta potrebbe inoltre aiutare a individuare altri metalli con strutture cristalline frustrate, potenzialmente capaci di sostenere onde elettroniche intrappolate.
Lo studio, intitolato «Electronic bound states in the continuum in a two-dimensional metal», è firmato da Morgan Thinel, Xiong Huang, Daniel G. Chica, Simon Turkel, Sebastian E. Rossi, Christie S. Koay, Hong Li, Willa Mihalyi-Koch, Bipasa Samanta, Madisen Holbrook, Aravind Devarakonda, Luca M. Nashabeh, Alexandru B. Georgescu, Xavier Roy, Xiaoyang Zhu, Abhay N. Pasupathy e Raquel Queiroz. DOI: 10.1126/science.adt9825. La ricerca ha ricevuto finanziamenti dal Brown Institute for Basic Sciences, dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, dall’Air Force Office of Scientific Research e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Per seguire le notizie di scienza e tecnologia su Google e Google News.
Fonte: scitechdaily.com
