Fosforo Nero: Ho Visto Eccitoni Danzare e Diventare Superfluidi!

Avete mai sentito parlare di condensazione eccitonica? È un fenomeno affascinante, quasi magico, in cui le coppie elettrone-lacuna (che chiamiamo eccitoni) decidono spontaneamente di mettersi insieme, formando uno stato collettivo. Immaginate tante piccole coppie che iniziano a muoversi all’unisono, come in una danza quantistica. Questo stato, noto anche come isolante eccitonico, promette di aprire le porte a fenomeni fisici incredibili, come i condensati di Bose-Einstein e persino stati simili a quelli descritti dalla teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), quella che spiega la superconduttività!

Finora, abbiamo avuto conferme dell’esistenza dell’isolante eccitonico misurando i “gap” energetici, cioè le zone proibite per gli elettroni. Ma vedere i fenomeni macroscopici legati a questa danza collettiva, come la superfluidità (il movimento senza attrito), è stato molto più sfuggente. Fino ad ora!

La nostra Piattaforma: il Fosforo Nero

Nel nostro lavoro, ci siamo concentrati su un materiale davvero speciale: il fosforo nero (BP) a pochi strati atomici. Perché proprio lui? Beh, il fosforo nero è un semiconduttore con un “band gap” (il divario energetico tra elettroni legati e liberi) stretto e, cosa fondamentale, possiamo modificarlo! Abbiamo costruito dei dispositivi speciali, chiamati “dual-gate”, che ci permettono di applicare un campo elettrico verticale (chiamato campo di spostamento, D) per “stringere” questo gap a nostro piacimento. Pensatelo come accordare uno strumento musicale per ottenere la nota giusta.

Per “vedere” cosa succedeva agli eccitoni, abbiamo usato una tecnica sofisticata chiamata spettroscopia di fotocorrente infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR-PCS). In pratica, illuminiamo il fosforo nero con luce infrarossa e misuriamo la corrente elettrica generata (la fotocorrente). Questo ci dà informazioni preziose sia sulle proprietà ottiche (come il materiale assorbe la luce) sia su quelle di trasporto (come si muovono le cariche).

Accendere la Luce e Accordare il Campo: L’Esperimento

Abbiamo iniziato illuminando campioni di fosforo nero di diverso spessore con potenze laser differenti. A bassa potenza, vedevamo un picco ben definito nello spettro della fotocorrente, corrispondente agli eccitoni “normali”. Ma aumentando la potenza della luce (cioè creando più coppie elettrone-lacuna), le cose cambiavano. Il picco iniziale svaniva, sostituito da una banda continua di assorbimento a energie leggermente più alte. Questo è abbastanza normale: è dovuto a effetti come il “Pauli blocking” (gli stati elettronici si riempiono) e a una maggiore schermatura delle interazioni elettriche quando ci sono tante cariche in giro.

Curiosamente, ad alta potenza, è spuntato un altro picco a energia più bassa. Pensiamo che questo sia dovuto a eccitoni spazialmente indiretti. Immaginate che, a causa del campo elettrico o di effetti legati al substrato, gli elettroni si accumulino su una faccia del materiale e le lacune sull’altra. Questi formano coppie “a distanza”, con un’energia di legame leggermente diversa.

La Sorpresa: La Transizione a Isolante Eccitonico

La vera magia è avvenuta quando abbiamo iniziato a giocare con il campo elettrico D su campioni di spessore specifico (tra 8 e 10 strati), mantenendo una potenza di illuminazione moderata. Abbiamo prima verificato che, aumentando il campo D, il band gap del fosforo nero si riducesse drasticamente, come previsto. La conducibilità del materiale aumentava di molto, segno che stavamo quasi chiudendo quel divario energetico.

Poi, abbiamo misurato gli spettri di fotocorrente mantenendo il materiale elettricamente neutro, ma aumentando gradualmente il campo D. Ed ecco la sorpresa: per un intervallo specifico di campo D (tra 0.16 e 0.22 V/nm nel campione mostrato) e con una potenza di eccitazione di 130 W/cm², lo spettro è cambiato bruscamente! La banda larga di assorbimento è scomparsa, lasciando solo un singolo picco netto (quello che avevamo attribuito agli eccitoni indiretti). A potenze più basse, questo cambiamento improvviso non avveniva.

Questo non era un cambiamento graduale, ma una vera e propria transizione di fase! Per capirla meglio, abbiamo studiato come cambiava la fotocorrente applicando un piccolo voltaggio di “gate” (che spinge leggermente elettroni o lacune nel materiale) a diversi valori di campo D. Abbiamo calcolato la “compressibilità di carica”, che ci dice quanto facilmente possiamo aggiungere cariche. Nello stato normale (con lo spettro largo), la compressibilità era finita, come ci si aspetta da uno stato “metallico” (anche se creato dalla luce). Ma nello stato con il picco singolo, la compressibilità schizzava verso l’alto! Questo è il segno di uno stato isolante, dove è molto difficile aggiungere altre cariche.

Abbiamo quindi capito di trovarci di fronte a un isolante eccitonico (EI). Ma perché si forma?

Il Band Gap si Chiude, l’Eccitone Resiste

Qui entra in gioco la teoria. Ci si aspetterebbe che applicando un campo elettrico, l’energia di legame dell’eccitone diminuisca. Invece, i nostri calcoli teorici (usando metodi sofisticati come GW/BSE) hanno mostrato qualcosa di inaspettato: l’energia di legame dell’eccitone nel fosforo nero è sorprendentemente poco sensibile al campo D! Questo sembra dovuto a effetti sottili legati alla cosiddetta “curvatura di Berry” della struttura elettronica del materiale.

Quindi, abbiamo una situazione particolare: il band gap si restringe molto con il campo D, mentre l’energia che tiene insieme l’eccitone rimane quasi costante. Arriva un punto critico in cui l’energia di legame dell’eccitone diventa maggiore del band gap! In queste condizioni, lo stato normale con elettroni e lacune libere diventa instabile, ed è energeticamente più favorevole per loro formare coppie legate: l’isolante eccitonico. È una transizione guidata dalle forti interazioni tra le particelle. Se aumentiamo troppo il campo D o la potenza del laser, troppe coppie affollano il sistema, la schermatura aumenta e l’isolante eccitonico “fonde” in un liquido metallico di elettroni e lacune (transizione di Mott).

La Prova della Superfluidità: La Fotocorrente Svanisce

Ma la scoperta più elettrizzante doveva ancora arrivare. Durante la formazione dell’isolante eccitonico, non solo lo spettro cambiava forma, ma abbiamo notato che la fotocorrente associata al canale “intrinseco” del fosforo nero (quella legata alla banda continua di assorbimento a energie più alte) svaniva completamente, scendendo sotto il livello di rumore del nostro strumento!

Cosa significa? Non poteva essere semplicemente che il gap dell’isolante impedisse l’assorbimento, perché questo avrebbe richiesto un gap enorme (circa 1 eV), cosa che contraddiceva altre misure (come quelle di temperatura). La nostra interpretazione è che questa fotocorrente zero sia la firma della superfluidità degli eccitoni!

Pensateci: in uno stato superfluido, gli eccitoni (che sono bosoni compositi) possono muoversi attraverso il materiale senza dissipare energia, senza “rompersi” in elettroni e lacune separati, anche se applichiamo un campo elettrico per spingerli. Se queste coppie legate arrivano agli elettrodi senza dissociarsi, la carica netta che trasportano è zero (un elettrone più una lacuna = carica neutra). Quindi, niente corrente misurabile! È come se le coppie danzassero attraverso il materiale senza inciampare e senza separarsi. Questo è profondamente diverso da un normale isolante, che semplicemente blocca il flusso di carica. Qui, le coppie possono muoversi, ma lo fanno in modo coerente e senza resistenza, risultando in una corrente netta nulla. È interessante notare che questo fenomeno riguardava gli eccitoni intrinseci del BP, non quelli spazialmente indiretti, suggerendo che le interfacce potrebbero disturbare questa delicata fase superfluida.

Una Danza Sensibile alla Temperatura

Infine, abbiamo studiato come questo stato dipendesse dalla temperatura. Abbiamo scoperto che la fase di isolante eccitonico (e la presunta superfluidità) mostrava un comportamento molto simile a quello dei superconduttori descritti dalla teoria BCS. Aumentando la temperatura, a un certo punto (intorno ai 17 Kelvin, circa -256 °C), la transizione scompariva bruscamente. Lo spettro tornava ad essere largo e la fotocorrente intrinseca riappariva. Questa dipendenza dalla temperatura critica (Tc ≈ 17 K) rafforza l’idea che stiamo osservando una fase quantistica macroscopica coerente.

Conclusioni e Prospettive

Quello che abbiamo osservato nel fosforo nero a pochi strati è davvero entusiasmante. Siamo riusciti non solo a creare e identificare uno stato di isolante eccitonico regolabile elettricamente, ma abbiamo anche trovato forti indizi di superfluidità associata a questo stato, manifestata dalla scomparsa della fotocorrente. Il fosforo nero, con il suo band gap modulabile, si rivela una piattaforma ideale per esplorare questa fisica complessa e affascinante delle molte particelle.

Questi risultati aprono nuove strade per studiare fenomeni come il crossover tra condensazione di Bose-Einstein (BEC) e superfluidità di tipo BCS negli eccitoni, e potrebbero persino ispirare nuovi tipi di dispositivi quantistici. C’è ancora molto da esplorare, magari usando altre tecniche come la fotoluminescenza per studiare la coerenza di questa fase. È un campo di ricerca vibrante, e chissà quali altre sorprese ci riserva il mondo quantistico dei materiali!

Fonte: Springer Nature