Dove sono gli schemi nel caos? È stato dimostrato nel minuscolo regno quantistico da un team internazionale assistito dal fisico Jairo Velasco Jr. dell’Università della California, Santa Cruz. In un nuovo articolo pubblicato il 27 novembre su Nature, i ricercatori descrivono un esperimento che conferma una teoria avanzata per la prima volta 40 anni fa, secondo cui gli elettroni confinati in uno spazio quantistico si muoverebbero lungo percorsi comuni invece di produrre un intrico caotico di traiettorie.
Il caos e le particelle
Gli elettroni mostrano sia proprietà particellari che ondulatorie: non si limitano semplicemente a rotolare come una pallina; gli elettroni si comportano in modi spesso controintuitivi, e in determinate condizioni, le loro onde possono interferire tra loro, concentrando il movimento in schemi specifici e i fisici chiamano questi percorsi comuni “orbite chiuse uniche”.
Raggiungere questo risultato nel laboratorio di Velasco ha richiesto una combinazione intricata di tecniche avanzate di imaging e un controllo preciso del comportamento degli elettroni all’interno del grafene, un materiale ampiamente utilizzato nella ricerca grazie alle sue proprietà uniche e alla struttura bidimensionale, ideale per osservare effetti quantistici; nell’esperimento, il team di Velasco ha utilizzato la punta finemente affilata di un microscopio a scansione a effetto tunnel per creare prima una trappola per gli elettroni, e poi rimanere vicino alla superficie di grafene per rilevare i movimenti elettronici senza disturbarli fisicamente.
Il vantaggio di avere elettroni che seguono orbite chiuse in uno spazio confinato è che le proprietà delle particelle subatomiche si conservano meglio mentre si spostano da un punto all’altro, secondo Velasco e questo ha enormi implicazioni per l’elettronica quotidiana, poiché consentirebbe il trasferimento delle informazioni codificate nelle proprietà degli elettroni senza perdite, portando potenzialmente a transistor a basso consumo ed estremamente efficienti.
“Uno degli aspetti più promettenti di questa scoperta è il suo potenziale utilizzo nell’elaborazione delle informazioni“, ha dichiarato Velasco. “Disturbando leggermente, o ‘spingendo’, queste orbite, gli elettroni potrebbero viaggiare prevedibilmente attraverso un dispositivo, trasportando informazioni da un’estremità all’altra.”
Le cicatrici quantistiche lasciano il segno sul caos
In fisica, queste orbite uniche degli elettroni sono note come “cicatrici quantistiche”. Questo concetto è stato spiegato per la prima volta in uno studio teorico del 1984 dal fisico Eric Heller dell’Università di Harvard, che utilizzò simulazioni al computer per rivelare che gli elettroni confinati si muovono lungo orbite ad alta densità se rinforzate dai movimenti ondulatori che interferiscono tra loro.
“Le cicatrici quantistiche non sono una curiosità, ma piuttosto una finestra sullo strano mondo quantistico [e sul caos],” ha detto Heller, anche coautore dell’articolo. “Le cicatrici rappresentano una localizzazione intorno a orbite che ritornano su se stesse. Questi ritorni non hanno conseguenze a lungo termine nel nostro normale mondo classico: vengono presto dimenticati. Ma nel mondo quantistico vengono ricordati per sempre.”
Con la teoria di Heller dimostrata, i ricercatori ora hanno una base empirica per esplorare potenziali applicazioni; i transistor odierni, già a scala nanoelettronica, potrebbero diventare ancora più efficienti integrando design basati sulle cicatrici quantistiche, migliorando dispositivi come computer, smartphone e tablet che si affidano a transistor densamente compattati per aumentare la potenza di elaborazione.
“Per studi futuri, prevediamo di approfondire la nostra visualizzazione delle cicatrici quantistiche per sviluppare metodi che permettano di sfruttare e manipolare questi stati“, ha detto Velasco. “Sfruttare i fenomeni del caos quantico potrebbe abilitare nuovi metodi per la consegna selettiva e flessibile degli elettroni su scala nanometrica, innovando nuovi modi di controllo quantistico.“
Il caos classico e il caos quantistico a confronto
Il team di Velasco utilizza un modello visivo spesso chiamato “biliardo” per illustrare la meccanica classica dei sistemi lineari rispetto a quelli caotici. Un biliardo è un’area delimitata che rivela come le particelle al suo interno si muovano, e una forma comune usata in fisica è chiamata “stadio”, dove le estremità sono curve e i bordi dritti. Nel caos classico, una particella rimbalzerebbe casualmente e in modo imprevedibile, coprendo infine l’intera superficie.
In questo esperimento, il team ha creato uno stadio-biliardo sul grafene di spessore atomico, lungo circa 400 nanometri; successivamente, con il microscopio a scansione a effetto tunnel, hanno potuto osservare il caos quantistico in azione: vedere finalmente con i propri occhi il pattern delle orbite elettroniche all’interno dello stadio-biliardo creato nel laboratorio di Velasco.
“Sono molto entusiasta che siamo riusciti a osservare le cicatrici quantistiche in un sistema quantistico reale,” ha detto Zhehao Ge, primo autore e co-corresponding author, studente laureato dell’Università della California, Santa Cruz, al momento del completamento dello studio. “Speriamo che questi studi ci aiutino a comprendere più a fondo i sistemi quantistici caotici.”
