I fisici hanno creato un nuovo materiale ultrasottile a due strati con proprietà quantistiche che normalmente richiedono composti di terre rare. Questo materiale, che è relativamente facile da realizzare e non contiene metalli delle terre rare, potrebbe fornire una nuova piattaforma per l’informatica quantistica e far progredire la ricerca sulla superconduttività non convenzionale e sulla criticità quantistica.
I ricercatori hanno dimostrato che partendo da materiali apparentemente comuni, può apparire uno stato quantistico radicalmente nuovo della materia. La scoperta è emersa dai loro sforzi per creare un liquido con spin quantistico che potessero usare per studiare fenomeni quantistici emergenti come la teoria di gauge. Ciò comporta la fabbricazione di un singolo strato di disolfuro di tantalio atomicamente sottile, ma il processo crea anche isole costituite da due strati.
Quando il team ha esaminato queste isole, ha scoperto che le interazioni tra i due strati inducono un fenomeno noto come effetto Kondo, che porta a uno stato macroscopico della materia che produce un sistema di fermioni pesanti.
L’effetto Kondo è un’interazione tra impurità magnetiche ed elettroni in modo che la resistenza elettrica di un materiale cambi con la temperatura. Ciò fa sì che gli elettroni si comportino come se avessero più massa, portando questi composti ad essere chiamati materiali fermionici pesanti. Questo fenomeno è un segno distintivo dei materiali contenenti elementi di terre rare.
I materiali fermionici pesanti sono importanti in diversi domini della fisica all’avanguardia, inclusa la ricerca sui materiali quantistici. “Lo studio di materiali quantistici complessi è ostacolato dalle proprietà dei composti naturali. Il nostro obiettivo è produrre materiali di progettazione artificiale che possano essere facilmente sintonizzati e controllati esternamente per espandere la gamma di fenomeni esotici che possono essere realizzati in laboratorio”, ha affermato il professor Peter Liljeroth.
Ad esempio, i materiali di fermioni pesanti potrebbero agire come superconduttori topologici, il che potrebbe essere utile per costruire qubit più robusti al rumore e alle perturbazioni dell’ambiente, riducendo i tassi di errore nei computer quantistici.
“Creare questo nella vita reale trarrebbe enormi benefici dall’avere un sistema di materiale fermionico pesante che può essere facilmente incorporato in dispositivi elettrici e sintonizzato esternamente”, ha affermato Viliam Vaňo, uno studente di dottorato nel gruppo di Liljeroth.
Sebbene entrambi gli strati del nuovo materiale siano solfuro di tantalio, ci sono differenze sottili ma importanti nelle loro proprietà. Uno strato si comporta come un metallo, conducendo elettroni, mentre l’altro strato ha un cambiamento strutturale che fa sì che gli elettroni siano localizzati in un reticolo regolare. La combinazione dei due porta alla comparsa della fisica dei fermioni pesanti, che nessuno dei due strati mostra da solo.
Questo nuovo materiale di fermioni pesanti offre anche un potente strumento per sondare la criticità quantistica.
“Il materiale può raggiungere un punto critico quantistico quando inizia a spostarsi da uno stato quantistico collettivo a un altro, ad esempio, da un magnete regolare verso un fermione pesante entangled materiale “, ha spiegato il professor Jose Lado. “Tra questi stati, l’intero sistema è critico, reagendo con forza al minimo cambiamento e fornendo una piattaforma ideale per progettare materia quantistica ancora più esotica”.
“In futuro, esploreremo come il sistema reagisce alla rotazione di ciascun foglio rispetto all’altro e cercheremo di modificare l’accoppiamento tra gli strati per sintonizzare il materiale verso un comportamento critico quantistico”, ha concluso Liljeroth.