La Danza Nascosta degli Atomi: Vibrazioni Collettive nei Super-reticoli Moiré

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi in un viaggio affascinante nel mondo dell’infinitamente piccolo, dove le leggi della fisica quantistica danno vita a fenomeni strabilianti. Parleremo di materiali così sottili da essere considerati bidimensionali (2D) e di come, impilandoli e ruotandoli leggermente l’uno rispetto all’altro, possiamo creare strutture completamente nuove con proprietà sorprendenti: i cosiddetti super-reticoli moiré. Ma non ci fermeremo qui. Andremo ad “ascoltare” la musica segreta che questi materiali suonano: le loro vibrazioni collettive.

Il Cuore Vibrante della Materia

Ogni materiale, dal metallo della vostra sedia al silicio del vostro smartphone, è composto da atomi che non stanno mai fermi. Vibrano continuamente, e queste vibrazioni collettive, che i fisici chiamano fononi, sono tutt’altro che un dettaglio trascurabile. Sono fondamentali! Determinano come un materiale conduce il calore, come trasporta l’elettricità, e possono persino influenzare fenomeni complessi come la superconduttività o le transizioni di fase. Pensate ai fononi come alle onde che si propagano in un pubblico che fa la “ola” allo stadio: un movimento collettivo che ha proprietà diverse da quelle dei singoli individui.

Negli ultimi anni, l’attenzione si è spostata sui materiali 2D, come il grafene o i dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), fogli spessi un solo atomo! La vera magia, però, avviene quando prendiamo due di questi fogli, magari di materiali leggermente diversi, e li sovrapponiamo con un piccolo angolo di rotazione (twist angle). Quello che emerge è un pattern periodico su scala più grande, simile alle figure cangianti che vedete a volte sovrapponendo due tessuti a trama fine: questo è il pattern moiré. Questi super-reticoli moiré non sono solo belli da vedere (al microscopio!), ma creano un paesaggio energetico completamente nuovo per elettroni e vibrazioni.

Entra in Scena il Moiré: Un Nuovo Palcoscenico per le Vibrazioni

Il problema è che studiare le vibrazioni proprio lì, all’interfaccia tra i due strati atomici, è incredibilmente difficile. Stiamo parlando di segnali debolissimi provenienti da una regione spessa pochi atomi! Inoltre, queste vibrazioni possono avere proprietà complesse, come una sorta di “chiralità” (pensate a una vite destra o sinistra), ovvero possedere un momento angolare. Servono tecniche super sensibili e capaci di distinguere queste sottigliezze.

Ed è qui che entra in gioco il nostro lavoro. Abbiamo studiato eterostrutture formate da due TMDC specifici: il diseleniuro di tungsteno (WSe2) e il disolfuro di tungsteno (WS2). Impilandoli e ruotandoli con precisione, abbiamo creato una serie di super-reticoli moiré con diverse periodicità. Per “ascoltare” le loro vibrazioni, abbiamo usato una tecnica potentissima chiamata spettroscopia Raman anelastica risolta in elicità. In pratica, illuminiamo il campione con luce laser polarizzata circolarmente (destra o sinistra) e analizziamo la polarizzazione della luce diffusa dalle vibrazioni. Questo ci permette non solo di misurare l’energia delle vibrazioni, ma anche di capire se hanno “rubato” momento angolare alla luce, rivelando la loro chiralità!

Fononi Chirali all’Interfaccia e la Danza Controllata dal Twist

La prima scoperta entusiasmante è stata proprio questa: abbiamo identificato chiaramente fononi chirali proprio all’interfaccia tra WSe2 e WS2. Simili ai fononi chirali scoperti di recente in materiali tridimensionali come il quarzo, queste vibrazioni interfacciali possiedono un momento angolare. Grazie alla nostra tecnica, che sfrutta la conservazione del momento angolare tra luce e materia, siamo riusciti a distinguere modi vibrazionali che altrimenti sarebbero stati confusi, ottenendo una risoluzione senza precedenti per studiare le dinamiche all’interfaccia di pochi strati atomici.

Ma la vera sorpresa è arrivata studiando come queste vibrazioni cambiano al variare dell’angolo di torsione tra i due strati. Abbiamo osservato due tipi principali di vibrazioni interstrato:

• Il modo “respirante” (Layer Breathing – LB): i due strati vibrano allontanandosi e avvicinandosi l’uno all’altro, come un respiro.
• Il modo “di taglio” (Shear – S): i due strati scivolano l’uno sull’altro parallelamente al piano.

Abbiamo scoperto che la frequenza del modo LB (che oscilla nella gamma dei Terahertz!) dipende in modo chiarissimo dall’angolo di torsione. In particolare, la sua frequenza segue un andamento periodico che è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda del pattern moiré! Questo dimostra inequivocabilmente che è proprio il potenziale periodico creato dal moiré a “dettare legge” sulle vibrazioni interstrato. Possiamo letteralmente accordare la frequenza di queste vibrazioni semplicemente ruotando uno strato rispetto all’altro. È come avere una manopola per controllare la “musica” degli atomi all’interfaccia! Abbiamo anche visto che queste vibrazioni interagiscono con gli eccitoni moiré, che sono coppie elettrone-buca intrappolate nel potenziale moiré.

Rilassamento e Vibrazioni Ibride negli Angoli “Magici”

Non solo le vibrazioni *tra* gli strati sono influenzate dal moiré. Anche le vibrazioni *interne* a ciascuno strato (intralayer) risentono della presenza dell’altro. Abbiamo notato che, specialmente per piccoli angoli di torsione, le vibrazioni planari (E2g) dello strato di WS2 mostrano uno spostamento verso energie più basse (redshift). Questo è un chiaro segno che lo strato di WS2 si sta “deformando” o “rilassando” per adattarsi meglio allo strato di WSe2 (che ha un passo reticolare leggermente diverso). Il super-reticolo non è rigido, ma si auto-organizza per minimizzare l’energia, creando regioni con diverse configurazioni di impilamento (AA, AB-like) e inducendo delle tensioni locali, soprattutto nello strato di WS2.

E poi c’è il gran finale: cosa succede ad angoli di torsione molto piccoli, vicini a 0° (o 60°), spesso chiamati angoli “magici” perché è lì che emergono fenomeni di correlazione forte? Qui abbiamo osservato qualcosa di completamente inaspettato. Oltre ai normali modi LB e S, è emerso un nuovo tipo di modo respirante interstrato, che abbiamo chiamato LBhyb. Questo modo ibrido ha caratteristiche peculiari:

• Ha un’energia sorprendentemente alta (circa 3.8 meV, o 0.93 THz).
• Ha una vita media relativamente lunga (circa 0.86 picosecondi).
• Ha momento angolare nullo (non è chirale).
• Appare solo in un intervallo ristretto di piccoli angoli (sotto gli 8° circa).

La nostra interpretazione è che questo modo nasca da un’ibridazione fonone-fonone. Cosa significa? Il pattern moiré, con la sua periodicità spaziale, può “ripiegare” vibrazioni acustiche dello strato singolo (chiamate ZA), che normalmente avrebbero energie diverse, all’interno della mini-zona di Brillouin del moiré. Quando l’energia di questi fononi ZA ripiegati si avvicina a quella del modo LB interstrato “normale”, i due tipi di vibrazione possono accoppiarsi e mescolarsi, dando vita a questo nuovo stato ibrido LBhyb. Nello stesso range di angoli, abbiamo anche osservato che il modo E2g del WS2 si sdoppia, un’ulteriore prova che il reticolo si sta ricostruendo e la sua simmetria locale è rotta.

Perché Tutto Questo è Importante?

Queste scoperte sulle vibrazioni collettive moiré aprono scenari davvero eccitanti. Dimostrano che possiamo ingegnerizzare e controllare le vibrazioni atomiche a livello dell’interfaccia con una precisione mai vista prima, semplicemente giocando con l’angolo di torsione. Questo ha implicazioni enormi:

• Gestione Termica: Le vibrazioni (fononi) sono i principali trasportatori di calore. Controllare i fononi all’interfaccia potrebbe permettere di creare materiali con conducibilità termica su misura, magari per dissipare meglio il calore nei dispositivi elettronici.
• Elettronica Correlata: L’interazione tra elettroni e fononi (vibrazioni) è cruciale. Capire e manipolare l’accoppiamento elettrone-fonone nei sistemi moiré, dove emergono stati elettronici fortemente correlati, è fondamentale per sviluppare nuovi tipi di transistor o dispositivi quantistici.
• Fotonica Topologica: Proprio come esistono stati elettronici topologici, si ipotizzano stati fononici topologici, che potrebbero trasportare energia o informazione in modi robusti e senza perdite. I super-reticoli moiré potrebbero essere la piattaforma ideale per creare e studiare questi stati esotici.

Insomma, abbiamo aperto una nuova finestra sulla dinamica fondamentale dei materiali su scala nanometrica. Le vibrazioni collettive moiré non sono solo un fenomeno fisico affascinante, ma rappresentano una nuova potente leva per progettare i materiali del futuro con funzionalità inedite. Il viaggio nell’universo vibrante dei super-reticoli moiré è appena iniziato!

Fonte: Springer