Nel paper scientifico è spiegato nel dettaglio tutto l’esperimento, consultabile su Nature Photonics. Ma come è possibile ottenere un liquido di elettroni a temperatura ambiente?

Cosa c’è alla base?

Gli scienziati sono partiti da un sottilissimo strato di un semiconduttore, intervallato con altri di grafene. Quest’ultimo altro non è che uno strato quasi monoatomico di carbonio. Inoltre ci si potrebbe chiedere come mai sia stato utilizzato un semiconduttore. Questo tipo di materiale è una via di mezzo tra un conduttore, come i metalli, e i materiali isolanti che non conducono corrente elettrica. A differenza di questi materiali, i semiconduttori sono capaci di condurre corrente più o meno facilmente, in base alla temperatura o a diverse impurità inserite nel reticolo cristallino formato dagli atomi del semiconduttore stesso.

Bande di conduzione (www.researchgate.net)

Per completezza si può schematizzare e capire meglio come un materiale conduce corrente. Si può pensare alla corrente elettrica come un flusso di elettroni che scorre in un conduttore. In realtà non tutti gli elettroni conducono, infatti ci sono gli elettroni di valenza e quelli di conduzione. Quelli nella banda di conduzione sono appunto quelli più in superficie che sono liberi di muoversi. Dalla figura è possibile vedere come nei materiali isolanti, la distanza tra le due bande è molto elevata e questo significa che serve molta energia affinché gli elettroni saltino nella banda di conduzione e siano liberi di muoversi. Nei metalli, le due bande sono attaccate e questo permette la conduzione di corrente molto facilmente, da parte di questi materiali. La via di mezzo è rappresentata dai semiconduttori che avendo una situazione intermedia tra gli isolanti e i metalli, si possono sfruttare fornendo agli elettroni l’energia necessaria affinché saltino nella banda di conduzione. I comuni dispositivi elettronici che tutti utilizzano sono basati sui semiconduttori in quanto sono molto versatili nelle applicazioni date le proprietà appena viste.

In cosa consiste l’esperimento

L’esperimento prevedeva di bombardare il campione di semiconduttore con impulsi laser, in modo tale da eccitare gli elettroni che passano ad un livello energetico più alto. Infatti gli impulsi laser forniscono energia agli elettroni, ed è come se essi utilizzino questa energia per saltare in uno stato quantico a maggiore energia. Significa che il posto che prima era occupato da un elettrone, adesso rimarrà vuoto. Questo lo si può vedere come una carica positiva, dal momento che lì c’è un’assenza di carica negativa. E qual’è il destino degli elettroni che ‘saltano’ ? Il punto fondamentale è proprio questo: essi assumono, insieme alle buche di carica positiva, una conformazione che ha caratteristiche simili a quelle dell’acqua. Questo è stato chiamato liquido di elettroni.

Grazie a particolari tecniche di imaging è stato possibile osservare il liquido di elettroni (QMO Lab, UC Riverside. Nature Photonics)

E’ come se tutti gli elettroni, insieme con le buche formassero tante piccole goccioline di liquido sul semiconduttore. Questa però è solo una visione alquanto errata e pittorica, poiché stiamo parlando di una sorta di liquido a livello quantistico. Un altro aspetto fondamentale della questione è che il tutto è stato svolto a temperatura ambiente: una cosa mai vista prima. In precedenza infatti, esperimenti simili avevano portato a risultati come questo, ma a temperature davvero molto basse.

Possibili applicazioni

Un materiale e una scoperta del genere cosa comporta nel mondo un po’ più pratico?
Basti pensare che questo tipo di liquido sarebbe ideale per la costruzione di dispositivi che rilevino e producano onde alla frequenza dei terahertz, chiamati fotorivelatori. I terahertz sono le frequenze comprese fra le microonde e gli infrarossi. I dispositivi comuni hanno delle frequenze più basse, mentre frequenze alte come i terahertz sono di difficile individuazione. Un’altra applicazione sarebbe legata al mondo dei calcolatori quantistici che al momento rappresenta una delle sfide più grandi nel mondo dei computer. Come gli autori stessi spiegano, la particolarità di questo liquido di lavorare nel range di frequenza dei terahertz, potrebbe aprire una corsa all’applicazione di questo sistema per diversi dispositivi, in tanti altri settori. Ad esempio nel settore biomedico per l’individuazione di tumori o in quello delle telecomunicazioni. L’ipotesi più affascinante, è che nuovi apparecchi possano prendere impiego per le comunicazioni nello spazio.

Fedele Delvecchio

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