I ricercatori dell’Università McGill hanno sviluppato un nuovo dispositivo quantistico in grado di generare minuscole particelle simili al suono, chiamate fononi, a temperature appena superiori allo zero assoluto. Questa innovazione potrebbe aprire la strada ai laser a fononi, una tecnologia con potenziali applicazioni nelle comunicazioni, nella diagnostica medica e nella sensoristica avanzata.
“La comunicazione moderna si basa in gran parte sulla luce, comprese le onde elettromagnetiche e le correnti elettriche. In un mezzo come gli oceani, il suono può propagarsi, mentre la luce e le correnti elettriche no”, ha affermato Michael Hilke, professore associato di fisica e coautore dello studio. “Anche nel corpo umano, le onde sonore possono essere uno strumento utile.”
Il dispositivo è stato progettato e testato da ricercatori della McGill University e del Consiglio nazionale delle ricerche del Canada, mentre il materiale utilizzato nel dispositivo è stato sintetizzato presso la Princeton University.
Quanto velocemente gli elettroni producono il suono quantistico
Il team ha creato il dispositivo utilizzando un cristallo bidimensionale che confina gli elettroni in un canale largo solo pochi atomi. Quando una corrente elettrica spinge gli elettroni attraverso questo percorso ultrasottile ad alta velocità, gli elettroni rilasciano la loro energia in eccesso sotto forma di impulsi di vibrazioni simili al suono, note come fononi.
I ricercatori hanno scoperto che questi fononi possono essere generati secondo schemi prevedibili e controllabili, un passo importante verso dispositivi pratici che si basano sulla manipolazione precisa del suono a livello quantistico.
Il raffreddamento svela un comportamento quantistico insolito
Gli esperimenti sono stati condotti a temperature comprese tra circa 10 millikelvin e 3,9 kelvin. A queste temperature estremamente basse, gli elettroni si comportano in modo molto più ordinato, facilitando l’osservazione dei fenomeni quantistici, in cui la materia si comporta come onde anziché come particelle ordinarie.
“A temperature pari allo zero assoluto, ovvero nel mondo della fisica quantistica, non si produce alcun suono a meno che gli elettroni non viaggino collettivamente alla velocità del suono o superiore”, ha spiegato Hilke. “Studi precedenti avevano osservato effetti simili quando la velocità degli elettroni si avvicinava alla barriera del suono. Il nostro studio va oltre, spingendo il sistema ben oltre quel punto e dimostrando che le teorie esistenti devono essere rivalutate considerando che gli elettroni possono essere molto caldi anche se il cristallo ospite è prossimo allo zero assoluto.”
Verso comunicazioni più veloci e tecnologie mediche
La fase successiva della ricerca studierà la possibilità di costruire il dispositivo utilizzando altri materiali, tra cui il grafene, il che potrebbe consentirgli di operare a velocità ancora maggiori.
Secondo Hilke, le future versioni di questa tecnologia potrebbero contribuire a sistemi di comunicazione più veloci, strumenti di rilevamento più sensibili, metodi migliorati per lo studio dei materiali biologici e tecnologie mediche avanzate.
“I fononi sono difficili da generare e sfruttare in modo controllato, quindi stiamo esplorando nuove modalità. In linea generale, si tratta di capire come la corrente elettrica e l’energia si muovono e vengono convertite all’interno di materiali elettronici avanzati”, ha affermato.
Dettagli dello studio
I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters in un articolo intitolato “Emissione di magnetofononi risonanti da elettroni supersonici in sistemi bidimensionali ad altissima mobilità”, di Michael Hilke et al.
La ricerca è stata finanziata dal Consiglio di ricerca in scienze naturali e ingegneria del Canada e dal Fonds de recherche du Québec — Nature et technologie.
Abstract
Studiamo la diffusione risonante dei fononi acustici nella magnetoresistenza di un sistema di gas di elettroni bidimensionale ad altissima mobilità soggetto a corrente continua nell’intervallo di temperatura da 10 mK a 3,9 K. Per una densità di corrente continua di ∼1.1 A/m
, la velocità di deriva del portatore indotta drift
diventa uguale alla velocità del suono ∼3 km/s
. Quando drift≳
Vengono osservate e identificate come oscillazioni di resistenza indotte da fononi in corrispondenza e al di sopra della “barriera del suono” caratteristiche risonanti molto forti con una debole dipendenza dalla temperatura. Il loro comportamento contrasta con quello nel regime subsonico ( drift < ) dove la diffusione risonante dei fononi acustici è fortemente soppressa quando la temperatura viene ridotta, a meno che non venga amplificata con la diffusione quasi-elastica tra i livelli di Landau. Le nostre osservazioni sono confrontate con recenti previsioni teoriche dalle quali possiamo estrarre una costante di accoppiamento elettrone-fonone adimensionale di 2=0.0016 per il regime di trasporto fortemente non lineare. Troviamo prove di un effetto di cambiamento di fase di oscillazione previsto durante l’attraversamento della “barriera del suono”. L’attraversamento della “barriera del suono” altera in modo fondamentale i processi di emissione di fononi risultanti e il campo magnetico applicato determina un’emissione di fononi risonanti pronunciata e nitida a causa della quantizzazione del livello di Landau.
Materials provided by McGill University. Note: Content may be edited for style and length.
Z. T. Wang, M. Hilke, N. Fong, D. G. Austing, S. A. Studenikin, K. W. West, L. N. Pfeiffer. Resonant Magnetophonon Emission by Supersonic Electrons in Ultrahigh-Mobility Two-Dimensional Systems. Physical Review Letters, 2026; 136 (14) DOI: 10.1103/m1nb-j1h6
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