Verso una nuova classe di simulatori quantistici a stato solido

Nel rapido sviluppo della fisica e della tecnologia dei materiali, fenomeni quantistici sempre più raffinati e complessi assumono un ruolo centrale: comprendere e predire il comportamento della materia può diventare un compito piuttosto arduo. Moltissimi sono i gradi di libertà in gioco, spesso tra loro strettamente intrecciati. I modelli sono talmente complessi che anche il più potente dei computer può fare ben poco. In questo contesto, apparentemente senza speranza, la natura stessa ci offre una via di uscita: sfruttare sistemi artificiali per emulare le proprietà di stato fondamentale e la dinamica di tali modelli complessi. Sono questi i simulatori quantistici, che permettono agli scienziati di studiare, controllare e manipolare fenomeni quantistici in laboratorio. L''onerosa soluzione di sofisticati modelli non è quindi affidata a potenti supercomputer ma alla natura stessa. A partire dall''iniziale intuizione di R.P. Feynman, varie tecnologie sono state sperimentate per la realizzazione di questi simulatori quantistici: atomi freddi, cristalli fotonici, trappole ioniche, ecc. Tra queste promettenti proposte s''inserisce il nuovo dispositivo di cui tratta questo lavoro, che rappresenta il primo simulatore quantistico a semiconduttore. Il prototipo rappresenta un primo passo verso la realizzazione di una nuova classe di simulatori quantistici a stato solido, che potrebbero portare a importanti sviluppi verso la comprensione dei comportamenti quantistici della materia. Grazie alle più evolute tecniche di nanofabbricazione gli autori sono stati infatti in grado di realizzare un reticolo a nido d''ape (figura 1a) sulla superficie di un''eterostruttura a semiconduttore basata sull''arseniuro di gallio. Gli elettroni confinati all''interno di questo reticolo risultano fortemente interagenti, rendendo questo sistema interessante per investigare l''impatto delle interazioni elettrone-elettrone sulle proprietà di cristalli con struttura a nido d''ape, come ad esempio il grafene, un materiale di grande interesse tecnologico. Le misure di diffusione anelastica di luce condotte dagli autori hanno evidenziato la presenza di nuovi modi collettivi (figura 1b), che descrivono il comportamento di un insieme di molte particelle in forte interazione, radicalmente diverso da quello di una di esse presa singolarmente o anche dalla sovrapposizione di tutte. Un''accurata analisi teorica ha permesso di ricondurre l''origine di questi modi alle interazioni coulombiane (in cui cioè l''interazione tra due cariche elettriche è data dalla legge di Coulomb) tra gli elettroni nel reticolo. In questo modo è stato possibile intuire che il sistema simula un noto modello della fisica della materia: il modello di Hubbard.

Authors: A. Singha, M. Gibertini, B. Karmakar, S. Yuan, M. Polini, G. Vignale, M.I. Katsnelson, A. Pinczuk, L.N. Pfeiffer, K.W. West, and V. Pellegrini

Title: Two-dimensional Mott-Hubbard electrons in an artificial honeycomb lattice

Journal: Science

Year: 2011

References: 332 (2011), pp. 1176-1179