Gli scienziati quantistici hanno scoperto un fenomeno nel bronzo viola, un metallo unidimensionale, che gli consente di passare dallo stato isolante a quello superconduttore. Questo cambiamento, causato da stimoli minimi come il calore o la luce, è dovuto alla “simmetria emergente”. Questa scoperta pionieristica, iniziata con la ricerca sulla magnetoresistenza dei metalli, potrebbe portare allo sviluppo di interruttori perfetti nei dispositivi quantistici, una potenziale pietra miliare nella tecnologia quantistica.
Gli scienziati quantistici hanno scoperto un fenomeno nel bronzo viola che potrebbe essere la chiave per sviluppare l'”interruttore perfetto” nei dispositivi quantistici che passano dall’essere un isolante a un superconduttore.
Ricerca condotta dall’Università di Bristol e pubblicata in ScienzeQuesti due stati elettronici opposti si trovano nel bronzo viola, un metallo unidimensionale unico composto da catene di singoli atomi conduttori.
Ad esempio, piccoli cambiamenti in un materiale, innescati da un piccolo stimolo come il calore o la luce, possono innescare una transizione istantanea da uno stato isolante con conduttività zero a uno superconduttore con conduttività illimitata e viceversa. Questa diversità di polarizzazione, nota come “simmetria emergente”, ha il potenziale per fornire un perfetto interruttore di accensione/spegnimento nei futuri sviluppi della tecnologia quantistica.
L’immagine mostra una rappresentazione della simmetria emergente, mostrando una goccia d’acqua perfettamente simmetrica che emerge da uno strato di ghiaccio. I cristalli di ghiaccio nella neve, invece, hanno una forma complessa e sono quindi meno simmetrici di una goccia d’acqua. Il colore viola indica il materiale viola-bronzo in cui è stato scoperto questo fenomeno. Credito: Università di Bristol
Un viaggio lungo 13 anni
L’autore principale Nigel Hussey, professore di fisica presso l’Università di Università di Bristol“È una scoperta davvero entusiasmante che potrebbe fornire una chiave perfetta per i futuri dispositivi quantistici”, ha affermato.
“L’affascinante viaggio è iniziato 13 anni fa nel mio laboratorio quando due studenti di dottorato, Xiaofeng Xu e Nick Wickham, hanno misurato la magnetoresistenza – il cambiamento di resistenza causato da un campo magnetico – del bronzo viola”.
In assenza di campo magnetico, la resistenza del bronzo viola dipendeva fortemente dalla direzione in cui entrava la corrente elettrica. Anche la sua dipendenza dalla temperatura era complessa. A temperatura ambiente la resistività è metallica, ma al diminuire della temperatura questa si inverte e il materiale sembra trasformarsi in un isolante. Poi, alle temperature più basse, la resistenza diminuisce nuovamente trasformandosi in un superconduttore. Nonostante questa complessità, la magnetoresistenza è sorprendentemente semplice. Era essenzialmente lo stesso indipendentemente dalla direzione in cui la corrente o il campo era allineato e seguiva una perfetta dipendenza lineare dalla temperatura dalla temperatura ambiente fino alla temperatura di transizione superconduttiva.
“Non è stata trovata alcuna spiegazione coerente per questo comportamento sconcertante, e i dati sono rimasti dormienti e non pubblicati per i successivi sette anni. Una lacuna come questa è insolita nella ricerca quantistica, anche se la ragione di ciò non è stata la mancanza di statistiche”, ha affermato il professor Hussey. spiegato.
“Tale semplicità nella risposta magnetica smentisce sempre un’origine complessa e, a quanto pare, la sua potenziale soluzione avverrà solo attraverso un incontro casuale”.
Un incontro casuale porta ad una svolta
Nel 2017, il professor Hussey stava lavorando alla Radboud University e vide la pubblicità di un seminario del fisico Dr. Piotr Chudzinski sul tema del bronzo viola. A quel tempo, pochi ricercatori avrebbero dedicato un intero simposio a questa sostanza sconosciuta, quindi il suo interesse fu suscitato.
Il professor Hussey ha dichiarato: “Al simposio, Chudzinski ha suggerito che l’elevata resistenza potrebbe essere causata dall’interferenza tra gli elettroni di conduzione e le sfuggenti particelle composite note come ‘eccitoni oscuri’. Abbiamo chiacchierato dopo il simposio e insieme abbiamo proposto un esperimento per testare la sua teoria. Il nostro misurazioni successive lo hanno sostanzialmente confermato.”
Grazie a questo successo, il professor Hussey riesumò i dati sulla magnetoresistenza di Shaw e Wakeham e li presentò al dottor Chudzinski. Due caratteristiche chiave dei dati – linearità con la temperatura e indipendenza dalla direzione e dal campo della corrente – hanno incuriosito Chudzinski, così come il fatto che lo stesso materiale può mostrare un comportamento isolante e superconduttore a seconda di come cresce.
Il dottor Chudzinski si è chiesto se l’interazione tra portatori di carica ed eccitoni da lui presentata in precedenza, invece di convertirsi interamente in isolanti, potesse far sì che i primi gravitino verso il confine tra gli stati isolante e superconduttore al diminuire della temperatura. Agli stessi limiti, la probabilità che un sistema sia un isolante o un superconduttore è essenzialmente la stessa.
Il professor Hussey ha dichiarato: “Tale simmetria fisica è un caso insolito, e sviluppare tale simmetria in un metallo quando la temperatura diminuisce, da qui il termine “simmetria emergente”, sarebbe una novità mondiale”.
I fisici conoscono bene il fenomeno della rottura della simmetria: l’abbassamento della simmetria di un sistema elettronico in seguito al raffreddamento. La complessa disposizione delle molecole d’acqua in un cristallo di ghiaccio è un esempio di questa rottura di simmetria. Ma il contrario è un evento estremamente raro, se non unico. Ritornando all’analogia acqua/ghiaccio, è come se dopo che il ghiaccio si fosse ulteriormente raffreddato, la complessità dei cristalli di ghiaccio si “sciogliesse” in qualcosa di consistente e liscio come una goccia d’acqua.
Simmetria emergente: un fenomeno raro
Il dottor Chudzinski, ora ricercatore presso la Queen’s University di Belfast, ha dichiarato: “Immaginate un trucco magico in cui una forma opaca e distorta viene trasformata in una bellissima sfera perfettamente simmetrica. Questa, in breve, è l’essenza della simmetria emergente. La persona in La questione è la nostra materia, il bronzo viola, mentre il nostro mago è la natura stessa.” .
Per verificare ulteriormente se la teoria contenga acqua, altri 100 singoli cristalli, alcuni isolanti e altri superconduttori, sono stati esaminati da un altro dottorando, Martin Berbin, che lavora alla Radboud University.
Il professor Hussey ha aggiunto: “Dopo gli sforzi titanici di Martin, la storia è completa e diventa chiaro il motivo per cui cristalli diversi sembrano avere stati fondamentali così completamente diversi. Guardando al futuro, potrebbe essere possibile sfruttare questa ‘novità’ per creare interruttori in circuiti quantistici in cui piccoli stimoli innescano cambiamenti profondi e di grande entità nella resistenza di commutazione.
Riferimento: “Emerging symmetry in a low-dimensional superconductor on the Mottness edge” di P. Chudzinski, M. Berben, Xiaofeng Xu, N. Wakeham, B. Bernáth, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Yu-Te Hsu, S. Weidmann, B. Tinnemans, Rongying Jin, M. Greenblatt, NE Hussey, 16 novembre 2023, Scienze.
doi: 10.1126/science.abp8948
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