Gli scienziati dell’Università di Chicago sono stati in grado di creare un nuovo tipo di oggetto quantistico in laboratorio: i “muri di dominio“. La scoperta può aiutare i ricercatori a comprendere meglio le particelle quantistiche esotiche e potrebbe suggerire strade per nuove tecnologie in futuro, come l’elettronica quantistica o la memoria quantistica.
Pubblicata sulla rivista Nature, la ricerca è stata condotta nel laboratorio del Prof. Cheng Chin, che studia i nuovi sistemi quantistici e la fisica che ne sta alla base. In uno dei loro esperimenti, gli scienziati di Chicago hanno notato un evento intrigante negli atomi a temperature estremamente basse. Nelle giuste condizioni, gruppi di atomi possono separarsi in domini e formare un “muro” all’incrocio in cui si sono incontrati. Questi muri di dominio si comportano come un oggetto quantistico indipendente.
“È un po’ come una duna di sabbia nel deserto: è composta da sabbia, ma la duna si comporta in maniera indipendente rispetto ai singoli granelli di sabbia”, ha affermato lo studente Ph.D. Kai-Xuan Yao, il primo autore dello studio.
I muri di dominio: fenomeni “emergenti”
Muro di dominio è un termine usato in fisica che può avere significati simili in magnetismo, ottica, o teoria delle stringhe. Tutti questi fenomeni possono essere genericamente descritti come solitoni topologici che si verificano ogni volta che la discreta simmetria si rompe spontaneamente.
Nel magnetismo, un muro di dominio è un’interfaccia che separa domini magnetici. È una transizione tra diversi magnetici momenti e di solito subisce un spostamento angolare di 90° o 180°. Un muro di dominio è un riorientamento graduale dei momenti individuali. Lo spessore della parete del dominio dipende dall’anisotropia del materiale, ma in media si estende su circa 100-150 atomi.
L’energia di un muro di dominio è semplicemente la differenza tra i momenti magnetici prima e dopo la creazione del muro di dominio. Questo valore è solitamente espresso come energia per unità di superficie della parete.
La larghezza del muro del dominio varia a causa delle due energie opposte che lo creano: l’anisotropia magnetocristallina e l’energia di scambio (), tendono ad essere il più bassi possibile in modo da trovarsi in uno stato energetico più favorevole. L’energia di anisotropia è più bassa quando i singoli momenti magnetici sono allineati con gli assi del reticolo cristallino, riducendo così la larghezza della parete del dominio. Viceversa l’energia di scambio si riduce quando i momenti magnetici sono allineati parallelamente tra loro e quindi rende la parete più spessa, per la repulsione tra di loro (dove un allineamento antiparallelo li avvicinerebbe, lavorando per ridurre lo spessore della parete). Alla fine viene raggiunto un equilibrio tra i due e la larghezza del muro del dominio viene impostata come tale.
Un muro di dominio ideale sarebbe completamente indipendente dalla posizione, ma le strutture non sono ideali e quindi rimangono bloccate sui siti di inclusione all’interno del mezzo, noto anche come difetti cristallografici. Questi includono atomi mancanti o diversi (estranei), ossidi, isolanti e persino sollecitazioni all’interno del cristallo. Ciò impedisce la formazione di pareti di dominio e inibisce anche la loro propagazione attraverso il mezzo. Pertanto è necessario un campo magnetico applicato maggiore per superare questi siti.
Si noti che le pareti del dominio magnetico sono soluzioni esatte alle equazioni non lineari classiche dei magneti (Modello Landau – Lifshitz, equazione di Schrödinger non lineare e così via).
Gli scienziati avevano intravisto i muri di dominio nei materiali quantistici, ma in precedenza non potevano generarle e analizzarle in modo affidabile. Una volta che i fisici dell’università di Chicago hanno creato la ricetta per realizzare e studiare da vicino le pareti, hanno osservato comportamenti sorprendenti.
“Abbiamo molta esperienza nel controllo degli atomi”, ha affermato Chin del Dipartimento di Fisica del James Franck Institute e nell’Enrico Fermi Institute. “Sappiamo che se spingi gli atomi a destra, si sposteranno a destra. Ma qui, se spingi i muri di dominio a destra, si sposteranno a sinistra”.
Questi muri di dominio fanno parte di una classe nota come fenomeni “emergenti“, il che significa che sembrano seguire nuove leggi della fisica come risultato di molte particelle che agiscono insieme come un collettivo.
Il laboratorio di Chin studia questi fenomeni emergenti, credendo che possano far luce su un insieme di leggi chiamate teoria di gauge dinamica, che descrive altri fenomeni emergenti nei materiali così come nell’universo primordiale; gli stessi fenomeni probabilmente tenevano insieme le prime particelle mentre si aggregavano per formare galassie, stelle e pianeti.
Le scoperte in questo campo potrebbero anche consentire la nuova tecnologia quantistica. Gli scienziati sono interessati a catalogare questi comportamenti in parte perché possono diventare la base della tecnologia futura: come ad esempio, la base del moderno GPS deriva dagli scienziati negli anni ’50 che cercavano di testare la teoria della relatività di Einstein.
“Potrebbero esserci applicazioni per questo fenomeno in termini di creazione di materiale quantistico programmabile o processore di informazioni quantistiche: può essere utilizzato per creare un modo più robusto per archiviare informazioni quantistiche o abilitare nuove funzioni nei materiali”, ha affermato Chin. “Ma prima di poterlo scoprire, il primo passo è capire come controllarli”.