Ecco la molecola elettronica

Due elettroni, confinati nello spazio di pochi nanometri all’interno di un cristallo semiconduttore. Questa la “creatura” nata dalla collaborazione tra i Laboratori Nest-Cnr di Pisa, il Centro S3-Cnr di Modena (entrambi confluiti nell’Istituto Nanoscienze) e le strutture statunitensi della Columbia University e dei Bell Laboratories. La ricerca, i cui risultati sono stati recentemente pubblicati su Physical Review Letters, si è avvalsa di una nuova tecnica di manipolazione ottica. Per costruire la “molecola elettronica” e studiarne le proprietà fondamentali, i ricercatori hanno infatti illuminato il cristallo semiconduttore con un fascio di luce laser, ottenendo misure precise.

Questa particolare configurazione elettronica è un importante sistema di riferimento per lo studio delle interazioni tra particelle cariche su scala nanometrica (ossia, dell’ordine del miliardesimo di metro). Tale stato della materia è stato oggetto di numerosi studi teorici, ma la sua realizzazione in laboratorio pone non pochi problemi. Del resto, i cristalli semiconduttori in grado di intrappolare gli elettroni nelle tre dimensioni spaziali (noti come punti quantici o “quantum dots”) potrebbero essere utilizzati – in un futuro ancora lontano – in applicazioni mediche (per lo studio di processi intracellulari o nella diagnostica) così come per la costruzione di calcolatori quantistici.

Qualunque sia l’applicazione, gli elettroni confinati nei punti quantici devono poter essere manipolati con precisione. Metodi elettrici sono già stati adottati con successo, ma prevedono strutture complicate, date dall’applicazione di strati metallici sui cristalli. La tecnica ottica garantisce la stessa precisione e risulta inoltre completamente non invasiva: i ricercatori di Pisa sono stati in grado di rimuovere o aggiungere singoli elettroni all’interno di un “quantum dot”, e la manipolazione con la luce laser non lascia alcuna traccia sul sistema studiato. È stato così possibile costruire la molecola elettronica e misurare le energie degli elettroni intrappolati. I ricercatori di Modena, che hanno curato la parte teorico-computazionale dello studio, hanno successivamente dimostrato che il moto degli elettroni confinati è del tutto analogo a quello degli atomi in una molecola biatomica. (g.d.)

Riferimento: doi: 10.1103/PhysRevLett.104.246802