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Levitone, una nuova quasiparticella per l'elettronica quantistica
24 ottobre 2013
Da un serbatoio di elettroni, noto anche come mare di Fermi, è possibile eccitare ed estrarre un singolo elettrone, facendolo poi propagare come una quasiparticella. Il risultato è stato ottenuto per la prima volta con un elettrodo di dimensioni nanoscopiche in cui è applicata una differenza di potenziale variabile nel tempo. Il risultato conferma per la prima volta una previsione teorica fatta nel 1996 dal fisico russo Leonid Levitov, e la quasiparticella è stata perciò battezzata levitone (red)
lescienze.it
Un intervento esterno può provocare la propagazione di un'unica onda sulla superficie del mare? La risposta è sì, a patto che si tratti del cosiddetto mare di Fermi, cioè un serbatoio di elettroni, e che per onda si intenda un singolo elettrone. Lo dimostra un nuovo studio apparso sulla rivista “Nature” da Jacques Dubois del Nanoelectronics Group, Service de Physique de l’Etat Condense dell'IRAMIS/DSM a Saclay, in Francia, e colleghi di un'ampia collaborazione.
Gli autori hanno realizzato un apparato di dimensioni nanoscopiche, tenuto a temperature criogeniche, che ha permesso per la prima volta di osservare una quasiparticella, cioè una particolare eccitazione elementare di un sistema condensato, chiamata levitone e prevista per via teorica nel 1996 da uno studio del fisico russo Leonid Levitov.
Il sistema ideato da Levitov è un elettrodo a nanoscale, che può essere considerato come un “serbatoio” pieno di elettroni, denominato anche mare di Fermi. Applicando una differenza di potenziale all'elettrodo, si può cambiare il “livello” del mare di Fermi alzandolo, cioè immettendo più elettroni, oppure abbassandolo, togliendo elettroni.
Se però la differenza di potenziale varia nel tempo, allora eccita il mare di Fermi, causando onde e "spruzzi" di elettroni. Questo effetto ha portato Levitov e colleghi a studiare per via teorica il problema e a trovare un risultato importante: una particolare forma di impulso di potenziale è in grado di eccitare un solo elettrone nel mare di Fermi, senza lasciare tracce dietro di sé.
Per produrre i levitoni, Dubois e colleghi hanno usato un circuito a nanoscale che consiste di due elettrodi collegati da un piccolo conduttore. Hanno poi applicato una tensione a impulsi, variabile nel tempo, a un elettrodo per generare levitoni che dall'elettrodo si propagano attraverso il conduttore all'altro elettrodo. Una delle maggiori difficoltà dell'esperimento è stata evitare fluttuazioni termiche che potessero sovrastare l'effetto delle variazioni di potenziale. Per osservare il fenomeno dei levitoni, l'apparato sperimentale è stato tenuto a temperatura molto bassa: 35 millikelvin, cioè 35 millesimi di grado sopra lo zero assoluto.
Il lavoro di Dubois e colleghi dimostra la possibilità di avere un preciso controllo su un singolo elettrone nel mare di Fermi di un nanoelettrodo, aprendo così interessanti prospettive per un'ampia gamma di applicazioni nella ricerca fondamentale, per esempio nel campo dell'elettronica quantistica o dell'ottica quantistica.
http://dx.doi.org/10.1038/nature12713
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Levitone, quasiparticella elettronica quantistica
