Nella vita di tutti i giorni, le transizioni di fase di solito hanno a che fare con i cambiamenti di temperatura, ad esempio quando un cubetto di ghiaccio si riscalda e si scioglie. Ma ci sono anche diversi tipi di transizioni di fase, a seconda di altri parametri come il campo magnetico.
Per comprendere le proprietà quantistiche dei materiali, le transizioni di fase sono particolarmente interessanti quando si verificano direttamente allo zero assoluto di 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.
Le proprietà di questo materiale vengono ora ulteriormente studiate. 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, sarebbe stata trovata 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.
Criticità quantistica: più semplice e chiara che mai
“Di solito il comportamento critico quantistico viene studiato nei metalli o negli isolanti. Ma ora abbiamo esaminato un semimetallo“, afferma il prof. Silke Bühler-Paschen dell’Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien.
Il materiale è un composto di cerio, rutenio e stagno, con proprietà che si trovano tra quelle dei metalli e dei semiconduttori.
Di solito, la criticità quantistica può essere creata solo in condizioni ambientali molto specifiche: una certa pressione o un campo elettromagnetico.
“Sorprendentemente, tuttavia, il nostro semimetallo si è rivelato critico quantistico senza alcuna influenza esterna“, afferma Wesley Fuhrman, Ph.D. studente nel team del Prof. Collin Broholm presso la Johns Hopkins University, che ha dato un importante contributo al risultato con misure di diffusione dei neutroni.
“Normalmente devi lavorare sodo per produrre le condizioni di laboratorio appropriate, ma questo semimetallo fornisce da solo la criticità quantistica“.
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.
Le fluttuazioni quantistiche potrebbero portare a particelle di Weyl
Il motivo principale per cui il risultato è così centrale 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 dei 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 critiche quantistiche, effetto Kondo e fermioni di Weyl – siano strettamente intrecciati nel materiale appena scoperto e, insieme, danno origine a stati esotici di Weyl-Kondo.
Questi sono 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, adattati e utilizzati per applicazioni in calcestruzzo“, conclude Bühler-Paschen.
