Quando D diventa F, la materia quantistica è Apiu

I fisici della Rice University hanno dimostrato che gli stati topologici immutabili, molto ricercati per l'informatica quantistica, possono essere intrecciati con altri stati quantistici manipolabili in alcuni materiali.

Le bande piatte amplificano gli effetti di correlazione e sono di grande interesse attuale. Forniscono una piattaforma per esplorare sia la topologia in contesti correlati sia la fisica della correlazione arricchita dalla topologia. Recenti esperimenti in metalli kagome correlati hanno trovato prove del comportamento dei metalli strani. Una delle principali sfide teoriche è studiare l'effetto della repulsione di Coulomb locale quando la topologia a bande ostacola una descrizione dello spazio reale.

«La cosa sorprendente che abbiamo scoperto è che in un particolare tipo di reticolo cristallino, dove gli elettroni si bloccano, il comportamento fortemente accoppiato degli elettroni negli 'orbitali atomici d' agisce effettivamente come i sistemi orbitali f di alcuni fermioni pesanti», ha detto il dottor Qimiao Si (1), co- autore di uno studio sulla ricerca in Science Advances (2).

La scoperta inaspettata fornisce un ponte tra i sottocampi della fisica della materia condensata che si sono concentrati su proprietà emergenti dissimili dei materiali quantistici. Nei materiali topologici, ad esempio, i modelli di entanglement quantistico producono stati “protetti” immutabili che potrebbero essere utilizzati per il calcolo quantistico e la spintronica. Nei materiali fortemente correlati, l'entanglement di miliardi e miliardi di elettroni dà origine a comportamenti come la superconduttività non convenzionale e le continue fluttuazioni magnetiche nei liquidi di spin quantistici.

Nello studio, il dottor Si e il coautore Haoyu Hu (3), un ex studente laureato nel suo gruppo di ricerca, hanno costruito e testato un modello quantistico per esplorare l'accoppiamento di elettroni in una disposizione reticolare “frustrata” come quelle che si trovano in metalli e semimetalli che presentano “bande piatte”, stati in cui gli elettroni si bloccano e gli effetti fortemente correlati vengono amplificati.

La ricerca fa parte di un reiterato sforzo del dottor Si, che lo scorso mese di luglio ha vinto una prestigiosa borsa di studio Vannevar Bush Faculty (4) dal Dipartimento della Difesa per perseguire la convalida di un quadro teorico per il controllo degli stati topologici della materia (Physicists use ‘electron correlations’ to control topological materials). (5)

Nello studio, Si e Hu hanno dimostrato che gli elettroni degli orbitali atomici d potrebbero diventare parte di orbitali molecolari più grandi che sono condivisi da diversi atomi nel reticolo. La ricerca ha anche mostrato che gli elettroni negli orbitali molecolari potrebbero rimanere intrappolati con altri elettroni frustrati, producendo effetti fortemente correlati che erano molto familiari a Si, che ha passato anni a studiare materiali fermionici pesanti.

Il dottor Qimiao Si spiega: «Questi sono sistemi completamente d-elettroni. Nel mondo d-electron, è come avere un'autostrada a più corsie. Nel mondo dell'elettrone f, puoi pensare agli elettroni che si muovono su due livelli. Uno è come l'autostrada d-electron e l'altro è come una strada sterrata, dove il movimento è molto lento. I sistemi di elettroni f ospitano esempi molto chiari di fisica fortemente correlata, ma non sono pratici per l'uso quotidiano. Questa strada sterrata è così lontana dall'autostrada. L'influenza dell'autostrada è molto piccola, il che si traduce in una scala di energia minuscola e fisica a temperature molto basse. Significa che devi andare a temperature intorno ai 10 Kelvin circa per vedere anche gli effetti dell'accoppiamento. Questo non è il caso nel mondo d-electron. Le cose si accoppiano l'una con l'altra in modo abbastanza efficiente sull'autostrada a più corsie lì. E quell'efficienza di accoppiamento persiste, anche quando c'è una banda piatta».

Il dottor Si lo ha paragonato a una delle corsie dell'autostrada che diventa inefficiente e lenta come la strada sterrata dell'elettrone f. «Anche quando è sbiadito in una strada sterrata, condivide ancora lo stato con le altre corsie, perché provenivano tutte dall'orbitale. È effettivamente una strada sterrata, ma è molto più fortemente accoppiata e questo si traduce in fisica a temperature molto più elevate. Ciò significa che posso avere tutta la squisita fisica basata sull'elettrone f, per la quale ho modelli ben definiti e molta intuizione da anni di studio, ma invece di dover andare a 10 Kelvin, posso potenzialmente lavorare a, diciamo, 200 Kelvin, o forse anche 300 Kelvin, o temperatura ambiente. Quindi, dal punto di vista della funzionalità, è estremamente promettente».

Il dottor Qimiao Si è Harry C. e Olga K. Wiess è docente di Fisica e Astronomia alla Rice, membro della Rice Quantum Initiative (6) e direttore del Rice Center for Quantum Materials (RCQM). (7)

La ricerca è stata finanziata dal Department of Energy (SC0018197), dall'Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356), dalla Welch Foundation (C-1411) e ha ricevuto supporto attraverso strutture computazionali e di visita dal National Science Fondazione (1607611, 0216467, 1338099, DMR160057).

Situata in un campus boscoso di 300 acri a Houston, la Rice University è costantemente classificata tra le 20 migliori università della nazione da US News & World Report. Rice ha scuole molto rispettate di architettura, economia, studi continui, ingegneria, scienze umane, musica, scienze naturali e scienze sociali ed è sede del Baker Institute for Public Policy. Con 4.240 studenti universitari e 3.972 studenti laureati, il rapporto tra studenti universitari e docenti di Rice è poco meno di 6 a 1. Il suo sistema universitario residenziale costruisce comunità affiatate e amicizie per tutta la vita, solo uno dei motivi per cui Rice è classificato al primo posto per molte interazioni razza/classe e al quarto per la qualità della vita dalla Princeton Review. Rice è anche valutato come il miglior valore tra le università private da Kiplinger's Personal Finance.

Riferimenti:

(1) Qimiao Si

(2) Coupled topological flat and wide bands: Quasiparticle formation and destruction

(3) Haoyu Hu

(4) Rice researchers earn prestigious Defense Department grants

(5) Physicists use ‘electron correlations’ to control topological materials

(6) Rice Quantum Initiative

(7) Rice Center for Quantum Materials

Descrizione foto: Il fisico quantistico Qimiao Si è Harry C. e Olga K. Wiess professore di fisica e astronomia della Rice University e direttore del Rice Center for Quantum Materials. - Credit: Jeff Fitlow/Rice University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: When D turns to F, quantum matter is A-plus