Scoperto nuovo materiale quantistico con proprietà sorprendenti

Un gruppo di ricerca della TU Wien (Vienna University Of Technology), insieme ad altri istituti di ricerca statunitensi, si è imbattuto in una forma di “criticità quantistica” di un nuovo materiale quantistico con proprietà sorprendenti. Il materiale è un composto di cerio, rutenio e stagno, con proprietà che si trovano tra quelle dei metalli e dei semiconduttori.

Tipicamente le transizioni di fase hanno a che fare con i cambiamenti di temperatura, ma ci sono anche altri tipi di transizioni di fase, a seconda di altri parametri come ad esempio il campo magnetico. Per comprendere le proprietà quantistiche dei materiali, le transizioni di fase sono particolarmente interessanti quando si verificano direttamente al punto zero assoluto della temperatura. Queste transizioni sono chiamate “transizioni di fase quantistiche” o “punti critici quantistici”.

Un tale punto critico quantistico è stato ora scoperto da un gruppo di ricerca austriaco-americano in un nuovo materiale e in una forma insolitamente incontaminata. Si sospetta che il materiale possa essere un cosiddetto semimetallo Weyl-Kondo, che si ritiene abbia un grande potenziale per la tecnologia quantistica a causa di stati quantistici speciali (i cosiddetti stati topologici). Se ciò si rivelasse vero, potremmo dire di aver trovato una chiave per lo sviluppo mirato di materiali quantistici topologici.

I risultati sono stati trovati in una collaborazione tra TU Wien, Johns Hopkins University, National Institute of Standards and Technology (NIST) e Rice University e sono stati ora pubblicati sulla rivista Science Advances.

Di solito, la criticità quantistica può essere creata solo in condizioni ambientali molto specifiche: ad una certa pressione o in presenza di un campo elettromagnetico. “Sorprendentemente, tuttavia, il nostro semimetallo si è rivelato quantico critico senza alcuna influenza esterna”, afferma Wesley Fuhrman, uno studente di dottorato del team del Prof. Collin Broholm presso la Johns Hopkins University. “Normalmente per riprodurre le condizioni di laboratorio appropriate, è necessario un duro lavoro, ma questo semimetallo fornisce la criticità quantistica autonomamente.”

Questo risultato sorprendente è probabilmente correlato al fatto che il comportamento degli elettroni in questo materiale ha alcune caratteristiche speciali. “È un sistema di elettroni altamente correlato. Ciò significa che gli elettroni interagiscono fortemente tra loro e che non è possibile spiegare il loro comportamento osservando gli elettroni individualmente”, afferma Bühler-Paschen. “Questa interazione elettronica porta al cosiddetto effetto Kondo. Qui, uno spin quantistico nel materiale è schermato dagli elettroni che lo circondano, in modo che lo spin non abbia più alcun effetto sul resto del materiale”.

Se ci sono solo relativamente pochi elettroni liberi, come nel caso di un semimetallo, l’effetto Kondo è instabile. Questa potrebbe essere la ragione del comportamento quantistico critico del materiale: il sistema oscilla tra uno stato con e uno stato senza l’effetto Kondo, e questo ha l’effetto di una transizione di fase a temperatura zero.

Il motivo principale per cui il risultato è così importante è che si sospetta sia strettamente connesso al fenomeno dei “fermioni di Weyl”. Nei solidi, i fermioni di Weyl possono apparire sotto forma di quasiparticelle, cioè come eccitazioni collettive come le onde in uno stagno. Secondo le previsioni teoriche, tali fermioni di Weyl dovrebbero esistere in questo materiale”, afferma il fisico teorico Qimiao Si della Rice University. La prova sperimentale, tuttavia, deve ancora essere trovata. “Sospettiamo che la criticità quantistica che abbiamo osservato favorisca il verificarsi di tali fermioni di Weyl”, afferma Silke Bühler-Paschen. “Le fluttuazioni quantistiche critiche potrebbero quindi avere un effetto stabilizzante sui fermioni di Weyl, in modo simile alle fluttuazioni quantistiche critiche nei superconduttori ad alta temperatura che tengono insieme le coppie superconduttive di Cooper.

Ci sembra che alcuni effetti quantistici – vale a dire fluttuazioni quantistiche critiche, effetto Kondo e fermioni di Weyl – siano strettamente intrecciati nel materiale appena scoperto e, insieme, danno origine a stati esotici di Weyl-Kondo. Si tratta di stati “topologici” di grande stabilità che, a differenza di altri stati quantistici, non possono essere facilmente distrutti da disturbi esterni. Questo li rende particolarmente interessanti per i computer quantistici.

Per verificare tutto ciò è necessario effettuare ulteriori misurazioni in diverse condizioni esterne. Il team si aspetta che un’interazione simile dei vari effetti quantistici dovrebbe essere trovata anche in altri materiali. “Questo potrebbe portare alla creazione di un concetto di design con il quale tali materiali possono essere specificamente migliorati”, afferma Bühler-Paschen.

Bibliografia scientifica di riferimento: “Pristine quantum criticality in a Kondo semimetal” by Wesley T. Fuhrman, Andrey Sidorenko, Jonathan Hänel, Hannes Winkler, Andrey Prokofiev, Jose A. Rodriguez-Rivera, Yiming Qiu, Peter Blaha, Qimiao Si, Collin L. Broholm and Silke Paschen, 19 May 2021, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abf9134 https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabf9134

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