Un risonatore per elettroni

Lo scienziato greco Archimede ebbe l'idea di utilizzare uno specchio curvo per riflettere la luce in modo da focalizzarla in un unico punto più di duemila anni fa: la leggenda narra che usò questo metodo per incendiare le navi romane nemiche. Oggi questi specchi concavi o parabolici svolgono un ruolo in molte applicazioni tecniche, dalle parabole satellitari ai risonatori laser in cui le onde luminose vengono amplificate tra due specchi. I risonatori a specchio concavo sono utilizzati anche nella moderna fisica quantistica. Per studiare i singoli atomi, ad esempio, i ricercatori sfruttano il fascio di luce degli specchi per amplificare l'interazione tra le onde luminose e gli atomi. Un team di fisici dell'ETH di Zurigo, nell'ambito del Centro nazionale di competenza per la ricerca in scienza e tecnologia quantistica (NCCR QSIT) è riuscito a costruire un risonatore in cui vengono focalizzati gli elettroni, anziché le onde luminose. In futuro, tali risonatori potrebbero essere utilizzati nella costruzione di computer quantistici e nella ricerca sugli effetti a molti corpi nei solidi.

Per i loro esperimenti, i ricercatori post-dottorando Clemens R?ssler e Oded Zilberberg hanno utilizzato strutture di semiconduttori in cui gli elettroni possono muoversi solo su un piano. A un'estremità del piano si trova il cosiddetto punto quantico, una trappola di appena un centinaio di nanometri per gli elettroni che, grazie alla meccanica quantistica, hanno stati energetici precisamente definiti, simili a quelli di un atomo. Questi punti quantici sono quindi noti anche come "atomi artificiali". Dall'altra parte, a pochi micrometri di distanza, un elettrodo curvo forma uno specchio concavo da cui vengono riflessi gli elettroni quando viene eccitato.

Materiali migliori

La possibilità di focalizzare gli elettroni in questo modo era già stata studiata all'Università di Harvard nel 1997. Tuttavia, i Fare ricerca all'ETH hanno potuto lavorare con materiali molto migliori, prodotti direttamente nel laboratorio di Werner Wegscheider, professore di fisica dello stato solido. "Questi materiali sono cento volte più puri di quelli utilizzati all'epoca", spiega R?ssler, "e quindi gli elettroni possono muoversi indisturbati per un tempo cento volte superiore". Questo significa a sua volta che, a differenza del lavoro precedente, la natura ondulatoria quantomeccanica degli elettroni è ora chiaramente visibile.

Nel loro esperimento, la fisica può vedere che la corrente che scorre dal punto quantico allo specchio concavo cambia in modo caratteristico con la tensione applicata. "I nostri risultati dimostrano che gli elettroni nel risonatore non volano semplicemente avanti e indietro, ma formano un'onda stazionaria e quindi si accoppiano coerentemente al punto quantico", sottolinea R?ssler, che ha sviluppato l'esperimento nel gruppo di lavoro del professor Klaus Ensslin dell'ETH. A differenza delle onde luminose, lo spin degli elettroni fa sì che essi si comportino come piccoli magneti. Infatti, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che l'interazione tra gli elettroni del punto quantico e l'onda elettronica avviene tramite lo spin. "Questo accoppiamento spin-coerente potrebbe consentire in futuro di collegare i punti quantici su grandi distanze", afferma Zilberberg, che ha sviluppato un modello teorico per l'esperimento di R?ssler nel gruppo del professor Gianni Blatter dell'ETH.

Adatto ai computer quantistici

I punti quantici sono stati a lungo discussi come possibili candidati per i cosiddetti bit quantici o "qubit", utilizzati dai computer quantistici. Finora, i punti quantici in un computer di questo tipo dovevano essere molto vicini l'uno all'altro per ottenere l'accoppiamento necessario per i processi di calcolo. Questo, a sua volta, rendeva difficile il controllo e la lettura dei singoli qubit. L'accoppiamento a lungo raggio tramite un risonatore opportunamente progettato potrebbe risolvere elegantemente questo problema.

I risonatori di elettroni dei ricercatori dell'ETH potrebbero essere utili anche nella ricerca fondamentale, ad esempio per studiare l'effetto Kondo. Questo si verifica quando molti elettroni interagiscono con il momento magnetico di un'impurità nel materiale. Con l'aiuto di un punto quantico, che simula tale impurità, e di un risonatore, la fisica spera di poter studiare l'effetto Kondo in modo molto preciso.

I giovani ricercatori hanno impiegato poco più di un anno per passare dall'idea della loro ricerca - nata da discussioni durante un precedente esperimento - alla pubblicazione che è stata ora pubblicata. Zilberberg ha una spiegazione semplice per il fatto che sia successo così rapidamente: "All'interno della rete QSIT, è facile collaborare spontaneamente tra gruppi, poiché le persone sono molto vicine in termini di luogo e di argomento e sono comunque coinvolte in progetti comuni. E se si ha bisogno del parere di un esperto su qualcosa, di solito si trova a pochi uffici di distanza".