I fisici della Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) hanno fatto una scoperta che potrebbe aumentare la comprensione del ruolo dell’entanglement nei superconduttori di ossido di rame ad alta temperatura. Si è scoperto che le quasiparticelle a bassa energia di questi enigmatici materiali quantistici, le cosiddette Zhang-Rice singlets, sono notevolmente resistenti al disordine estremo.
Le quasiparticelle a bassa energia
Questa sorprendente tolleranza in uno sfondo elettronico altrimenti vetroso è resa possibile dall’entanglement quantistico, una forma di legame quantistico che lega intimamente un buco e uno spin in un’unica quasiparticella efficace e rende più difficile per la particella disperdersi da un’impurità. Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
Immaginate una coppia che cammina mano nella mano attraverso la piazza del mercato in una giornata intensa: se volesse spostarsi da una parte all’altra, la folla di persone dovrebbe farsi da parte, disperdendo localmente le persone nell’ambiente circostante e rallentando il proprio movimento.
Se osservati dall’alto, la coppia e l’ambiente circostante si muovevano apparentemente come un’unità. Questa unità è quella che i fisici della materia condensata chiamano quasiparticelle, cioè particelle efficaci che determinano lo spettro di eccitazione a bassa energia di un solido.
In un metallo le quasiparticelle sono tipicamente costituite da un elettrone circondato da una nuvola di polarizzazione di altri elettroni, con elettrone e nuvola di polarizzazione che si muovono coerentemente. In un sistema reale, queste quasiparticelle disperdono impurità e disordine.
Tornando all’esempio precedente, questo non significa che la coppia non possa semplicemente attraversare un ostacolo, come un lampione, che si trova sulla loro strada. Dovrebbe invece girarci attorno, rallentando ancora una volta il movimento. In un vero metallo, questo fa sì che gli elettroni si disperdano dalle impurità, impedendo il movimento degli elettroni e creando resistenza elettrica.
Il team coinvolto nella ricerca, che include ricercatori della JMU, ha spiegato che le quasiparticelle nei materiali cuprati apparentemente non rispettano questa regola di dispersione. Questi materiali hanno una struttura complessa di strati di ossido di rame e sono generalmente noti per la loro superconduttività ad alta temperatura da record quando sono drogati.
Le loro quasiparticelle sono Zhang-Rice singlets (ZRS), particelle composite intrecciate in cui un buco di ossigeno si unisce a una rotazione di posti vacanti nel rame, muovendosi attraverso il cristallo come una coppia danzante.
Gli scienziati di Würzburg le hanno testate in un ambiente cuprato estremamente disordinato in cui fino al 40% degli atomi di rame sono stati sostituiti da litio. Il disordine è stato quindi così immenso da bloccare completamente gli elettroni normali.
I fisici hanno denominato tale sistema un sistema di vetro non ergodico poiché le particelle si sono propagate molto più lentamente rispetto ai tipici tempi sperimentali. In altre parole, per la coppia dell’esempio, non c’è più alcun andirivieni e non si muove più nulla.
L’affascinante danza del buco e della rotazione delle Zhang-Rice singlets all’interno di questa unione quantistica, nonostante tutte le probabilità, tuttavia, non è assolutamente influenzata dalle impurità che si frappongono sul loro cammino. Il loro entanglement quantistico impedisce loro di disperdersi e si muovono semplicemente attraverso il sistema, come se fosse privo di ostacoli.
Cosa sono le quasiparticelle?
Il termine quasiparticelle descrive un concetto fisico, che tratta le eccitazioni elementari nei solidi, come le onde di spin, come particelle. Poiché le particelle non sono costituite da materia, vengono chiamate quasiparticelle.
A prima vista può sembrare curioso trattare le eccitazioni come particelle, ma pensiamo a cosa sia la questione. Dalla teoria relativistica di Einstein sappiamo che materia ed energia sono essenzialmente la stessa cosa. La materia può essere convertita in energia, come nei reattori a fissione e fusione.
D’altra parte l’energia può essere convertita in materia. Succede naturalmente: quando particelle o radiazioni ad alta energia colpiscono l’atmosfera terrestre, si crea un’intera cascata di particelle secondarie. Questo fenomeno è chiamato “ doccia d’aria ”.
In parte le particelle create hanno origine dall’energia cinetica delle particelle ad alta energia in arrivo oppure sono interamente prodotte attraverso l’energia di un fotone ad alta energia. Nei grandi acceleratori di particelle, nuove particelle vengono prodotte dall’energia d’impatto che si verifica quando due particelle con una velocità quasi pari a quella della luce si scontrano tra loro.
Sembra quindi che quello che chiamiamo materia consista anche di eccitazioni elementari di un mezzo chiamato “spazio ”. Alcune di queste eccitazioni hanno una vita molto breve, come ad esempio i muoni o i pioni . Altri sembrano avere una vita infinita, come i protoni e gli elettroni. Anche se potrebbe risultare che la loro vita è incredibilmente lunga, tanto che non è stato possibile osservare alcun decadimento fino all’avvento della scienza moderna.
Da questo punto di vista non sembra essere strano quando trattiamo le eccitazioni elementari nei solidi come particelle. Queste particelle hanno nella maggior parte dei casi una durata finita, come il magnone o l’eccitone . Ma ci sono anche alcune quasiparticelle con vita infinita come la coppia di cooperanti nei superconduttori. Esiste una sorprendente somiglianza tra le particelle di materia e le quasiparticelle e in una certa misura possono essere trattate allo stesso modo.
Conclusioni
Lo studio ha rivelato la prima apparizione delle Zhang-Rice singlets in un vetro elettronico a base di cuprato e ha mostrato l’emergente invulnerabilità delle quasiparticelle ZRS a causa dell’entanglement quantistico.
Tali scoperte potrebbero avere implicazioni di vasta portata non solo per la nostra comprensione dei superconduttori cuprati, ma anche per le future tecnologie basate sulla coerenza quantistica.
In particolare, la capacità di stabilizzare gli stati quantistici rispetto alle perturbazioni esterne mediante l’entanglement quantistico potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nella realizzazione dell’informatica quantistica.
