• eccitazioni Mott Hubbard
• grafene artificiale
• reticolo artificiale semiconduttore

La tesi consiste nello studio, in alti campi magnetici e a basse temperature, delle proprietà ottiche di un gas bidimensionale (2DEG), confinato in un pozzo quantico di 25 nm in una eterostruttura AlGaAs\GaAs, nel regime in cui si induce sul 2DEG un potenziale cristallino attraverso tecniche di nanofabbricazione.
In particolare, l’applicazione a dimensioni del nanometro di un motivo a forma reticolare sulla superficie del campione in cui è contenuto il pozzo quantico riesce ad indurre, nella struttura bidimensionale sottostante, una modulazione di potenziale, ricreando così una struttura cristallina nel 2DEG confinato.
Il processo di nanofabbricazione a cui si è accennato fa uso di tecniche di litografia a fascio elettronico e di attacco chimico a secco attraverso l’uso dell’ Induced Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP RIE).
Queste strutture prendono anche il nome di reticoli artificiali su semiconduttore, e sono state pensate in principio come simulatori di elementi già esistenti in natura, come il grafene, con il vantaggio tuttavia, rispetto a questi ultimi, di poter regolare a piacimento parametri che nelle strutture reali sono fissi per natura, come il passo reticolare. Ad esempio un reticolo artificiale a struttura esagonale permetterebbe uno studio di fisica in regimi tali da avere lunghezza magnetica inferiore al passo reticolare indotto.
Proprio per questioni di studio di fisica fondamentale, e per il recente interesse alle proprietà singolari del grafene, i primi reticoli artificiali sono stati ideati a struttura esagonale. In particolare sono state svolte trattazioni teoriche molto dettagliate ([1][2][3][4]) che hanno mostrato la nascita di punti isolati a dispersione lineare (fermioni di Dirac a massa nulla) nella struttura a bande di questi reticoli, ed hanno quindi incitato alla loro realizzazione in laboratorio.
Dal punto di vista sperimentale la loro progettazione ha evidenziato come il passo reticolare raggiungibile attualmente con le più avanzate tecniche di nanofabbricazione risulti ancora troppo grande perché gli elettroni riescano a spostarsi da un sito all’altro del reticolo. In altri termini il parametro t di sovrapposizione tra gli orbitali degli elettroni tra i vari siti è ancora troppo piccolo rispetto al termine di correlazione U degli elettroni su uno stesso sito del reticolo cristallino, non giustificando quindi ancora una trattazione a bande di queste strutture artificiali. Sicuramente un miglioramento delle procedure di nanolitografia oggi allo stato dell’arte permetterà presto di superare questo limite tecnico.
Se però il regime (t>>U) rimane ancora una sfida sperimentale delle attuali tecniche di nanofabbricazione, lo studio di questi reticoli ha mostrato interessanti fenomeni di fisica fondamentale nel regime opposto (U>>t).
Infatti, immerse in un campo magnetico, queste strutture hanno mostrato la nascita di eccitazioni che non avevano una controparte nel corrispettivo 2DEG non modulato [5]. In particolare si è osservato l’esistenza di eccitazioni elettroniche dipendenti dal campo magnetico e riconducibili a fenomeni di correlazione elettrone-elettrone che si inquadrano bene nel modello di hubbard, ed eccitazioni di spin, sempre dipendenti dal campo magnetico, la cui natura tuttora non è stata ben compresa.
Il campo magnetico in questa circostanza gioca un ruolo fondamentale. Infatti, confinando le funzioni d’onda degli elettroni in orbite di raggio sempre più piccolo al crescere del campo stesso, riduce la sovrapposizione degli orbitali elettronici su siti diversi del reticolo, e quindi t, e allo stesso tempo aumenta gli effetti di correlazione elettrone-elettrone sullo stesso sito, ovvero U.
La mia tesi verte sulla creazione di reticoli artificiali a geometrie diverse da quella esagonale, in particolare geometrie quadrate, per studiare come la topologia di questi reticoli possa incidere su queste eccitazioni e possa modificarne la struttura.



[1] M. Gibertini et altri, Phys. Rev. B 73, 2009.
[2] C.H. Park, S.G. Louie, Nano Lett 9, 2009.
[3] H.C. Manoharan et altri, 483 306-310, 2012.
[4] T. Esslinger et altri, 483 302-305, 2012.
[5] A. Singha et altri, Science 332, 2011.