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La scoperta di un nuovo materiale quantistico

Un composto di cerio, rutenio e stagno ha proprietà sorprendenti. Credito: TU Wien

Nella vita di tutti i giorni, i cambiamenti 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 esistono 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 al punto zero assoluto della temperatura. Queste transizioni sono chiamate “transizioni di fase quantistica” o “punti quantici critici”.


Così tanto Punto critico Ora è stato scoperto da un gruppo di ricerca austriaco-americano in una nuova sostanza e in una forma insolitamente originale. Le proprietà di questa sostanza vengono ulteriormente studiate. Si sospetta che il materiale possa essere il cosiddetto semimetallo di 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 rivelerà corretto, verrà trovata una chiave per lo sviluppo mirato di materiali quantistici topologici. I risultati si trovano in una collaborazione tra TU Wien, Johns Hopkins University, National Institute of Standards and Technology (NIST) e Rice University e sono ora pubblicati sulla rivista. I progressi della scienza.

Criticità quantitativa: più semplice e chiara che mai

Il professor Silke Bühler-Paschen dell’Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien afferma: “Il comportamento critico quantitativo viene solitamente studiato nei metalli o negli isolanti. Ma ora abbiamo esaminato una sostanza metallica. La sostanza è un composto di cerio, rutenio e stagno – con proprietà che si trovano tra le proprietà dei minerali e dei quasili. “Connettori.

Di solito, la criticità quantitativa può essere stabilita solo in condizioni ambientali molto specifiche: una pressione specifica o un campo elettromagnetico. “È sorprendente che i nostri materiali metallici si siano rivelati fondamentali per quanto riguarda il livello quantistico senza alcuna influenza esterna di sorta”, afferma Wesley Furman, PhD. Uno studente del team del professor Colin Broholme della Johns Hopkins University, che ha dato un importante contributo al risultato attraverso le misurazioni della dispersione dei neutroni. “Di solito devi lavorare sodo per produrre le giuste condizioni di laboratorio, ma questo minerale metallico fornisce da solo un’importanza critica quantistica”.

Forse questo risultato sorprendente è legato al fatto che il comportamento degli elettroni in questo materiale ha alcune caratteristiche speciali. Ciò significa che gli elettroni interagiscono fortemente tra loro e non è possibile spiegare il loro comportamento osservando gli elettroni individualmente “, afferma Buhler-Pachen. “Questa interazione elettronica porta al cosiddetto effetto kondo. Qui, lo spin quantistico nel materiale è protetto dagli elettroni circostanti, in modo che la rotazione non abbia alcun effetto sul resto del materiale”.

Se ci sono relativamente pochi elettroni liberi, come nel caso di uno metallico, l’effetto kondo è instabile. Questa può essere la causa del comportamento quantistico critico della materia: il sistema oscilla tra uno stato con e uno stato senza effetto condominiale, e questo ha l’effetto di transizione di fase a temperatura zero.

Le fluttuazioni quantistiche possono portare a particelle di Weil

Il motivo principale per cui la scoperta è di importanza centrale è che si sospetta sia strettamente correlata al fenomeno Will Fermion. Nei solidi, i fermioni di Weyl possono apparire in forma di quasiparticelle, cioè come un’eccitazione collettiva come le onde in uno stagno. Secondo le previsioni teoriche, tali fermioni di Weil dovrebbero esistere in questo materiale “, afferma il fisico teorico Qimiao Si della Rice University. Tuttavia, non è stata trovata alcuna prova sperimentale”. Sospettiamo che la criticità quantistica che abbiamo osservato favorisca un detto Silke Bühler-Paschen afferma: “Le fluttuazioni quantistiche critiche possono avere un effetto stabilizzante sui fermioni di Weil, in un modo analogo alle fluttuazioni quantistiche critiche nei superconduttori ad alta temperatura che collegano le coppie di superconduttori di Cooper. Molto di base e oggetto di molte ricerche in tutto il mondo, e qui abbiamo scoperto una nuova introduzione “.

Ci sembra che alcuni effetti quantistici – in particolare le fluttuazioni quantistiche critiche, l’effetto kondo ei fermioni di Will – siano strettamente intrecciati nella materia appena scoperta, e insieme danno origine agli strani stati di Will Kondo. Questi sono stati “topologici” di grande stabilità, a differenza di altri stati quantitativi, che non possono essere facilmente distrutti da disturbi esterni. Questo lo rende particolarmente interessante per i computer quantistici.

Per verificare tutto ciò è necessario effettuare ulteriori misurazioni in varie condizioni esterne. Il team prevede che un’interazione simile debba essere trovata anche per diversi effetti quantistici in altri materiali. “Questo potrebbe portare alla creazione di un concetto di design in cui tali materiali possono essere migliorati, progettati e utilizzati specificamente in applicazioni concrete”, afferma Buehler-Bachen.


Lo strano caso teorico della materia in cui gli elettroni interagiscono a malapena tra loro


maggiori informazioni:
Wesley T. Fuhrman et al, Criticità quantitativa originale nel kondo semimetallico, I progressi della scienza (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abf9134

la citazione: New Quantum Material Discovered (2021, 24 maggio) Estratto il 24 maggio 2021 da https://phys.org/news/2021-05-quantum-material.html

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