Un gruppo di ricercatori cinesi ha osservato qualcosa che fino a poco tempo fa apparteneva quasi soltanto alla teoria: uno stato della materia che sembra comportarsi in modo intermedio tra due dimensioni e tre dimensioni.
Gli scienziati dell’Università di Nanchino, della ShanghaiTech University e della Southern University of Science and Technology hanno annunciato la scoperta di un comportamento completamente nuovo in particolari strati di grafene.
I ricercatori lo definiscono “transdimensionale”, perché non appartiene pienamente né al mondo bidimensionale né a quello tridimensionale.
La scoperta è stata pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature.
Cos’è il grafene e perché è così speciale
Il Grafene è uno dei materiali più studiati degli ultimi decenni.
Si tratta di uno strato sottilissimo di atomi di carbonio disposto in una struttura esagonale. È incredibilmente resistente, leggero e conduce elettricità e calore in modo eccezionale.
Normalmente il grafene viene considerato un materiale quasi perfettamente bidimensionale.
Ma quando diversi strati vengono sovrapposti in configurazioni particolari, possono emergere proprietà fisiche molto insolite.
Il misterioso effetto Hall anomalo
La nuova scoperta riguarda il cosiddetto effetto Hall anomalo, un fenomeno della fisica in cui gli elettroni si deviano lateralmente mentre attraversano un materiale.
\text{Effetto Hall anomalo} \rightarrow \text{deviazione laterale della corrente elettrica dovuta al magnetismo interno}
In condizioni normali questo comportamento segue regole abbastanza prevedibili, diverse a seconda che il materiale sia bidimensionale o tridimensionale.
Tuttavia, gli scienziati hanno osservato che alcuni strati di grafene con uno spessore estremamente preciso — tra 2 e 5 nanometri — si comportano in un modo completamente inatteso.
Uno stato “intermedio” tra 2D e 3D
Secondo i ricercatori, il materiale entra in una sorta di stato intermedio.
Gli elettroni sembrano muoversi contemporaneamente:
- all’interno dei singoli strati;
- tra gli strati stessi;
- con un comportamento collettivo molto più complesso del previsto.
Questo crea proprietà magnetiche ed elettriche che non possono essere descritte pienamente né con la fisica tipica dei materiali bidimensionali né con quella dei materiali tridimensionali.
Per questo il team parla di un comportamento transdimensionale.
2D \neq \text{stato transdimensionale} \neq 3D
Perché la scoperta è importante
La fisica moderna classifica normalmente i materiali in base alle loro dimensioni e alla struttura elettronica.
Questa scoperta suggerisce invece che potrebbero esistere categorie completamente nuove di comportamento della materia, ancora poco comprese.
Gli scienziati sospettavano da tempo che alcuni sistemi quantistici potessero mostrare proprietà “ibride”, ma finora mancavano osservazioni sperimentali così chiare.
Secondo il team, lo stato osservato rompe alcune simmetrie fondamentali che normalmente regolano le interazioni elettroniche nei materiali.
Il ruolo dello spessore: pochi nanometri fanno la differenza
Uno degli aspetti più sorprendenti dello studio è che il fenomeno compare soltanto entro un intervallo di spessore molto preciso.
I ricercatori hanno testato dispositivi composti da 3 fino a 15 strati di grafene e hanno scoperto che l’effetto emerge esclusivamente tra 2 e 5 nanometri.
È una dimostrazione impressionante di quanto, nel mondo quantistico, variazioni minuscole possano cambiare radicalmente il comportamento della materia.
Cosa potrebbe cambiare in futuro
Anche se la ricerca è ancora nelle fasi iniziali, le possibili applicazioni sono enormi.
Gli scienziati ritengono che questi nuovi stati della materia potrebbero contribuire allo sviluppo di:
- elettronica ultra avanzata;
- materiali quantistici;
- dispositivi magnetici innovativi;
- computer quantistici;
- tecnologie a bassissimo consumo energetico.
Comprendere come controllare questi comportamenti potrebbe aprire nuove strade nella fisica della materia condensata e nell’ingegneria elettronica.
Un confine ancora tutto da esplorare
La parte più affascinante della scoperta è forse il fatto che mostra quanto poco conosciamo ancora del comportamento della materia su scala quantistica.
Quello che chiamiamo “transdimensionale” non significa che gli scienziati abbiano aperto portali tra universi paralleli, ma qualcosa di altrettanto sorprendente dal punto di vista scientifico: la possibilità che esistano stati fisici che non rientrano nelle categorie classiche con cui descriviamo il mondo.
E in fisica, spesso, è proprio ai confini delle categorie conosciute che iniziano le rivoluzioni più importanti.