Un gruppo di ricerca dell'Università Bar-Ilan, in collaborazione con i colleghi francesi del CNRS Grenoble, ha sviluppato un esperimento unico per rilevare eventi quantistici in pellicole ultrasottili. Questa nuova ricerca, da pubblicare sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura , migliora la comprensione dei fenomeni di base che si verificano in sistemi di dimensioni nanometriche vicini alla temperatura dello zero assoluto.

transizioni, Fasi e punti critici

Una transizione di fase è un termine generale per i fenomeni fisici in cui un sistema transita da uno stato all'altro a seguito della variazione della temperatura. Esempi quotidiani sono il passaggio dal ghiaccio all'acqua (da solido a liquido) a zero gradi centigradi, e da acqua a vapore (da liquido a gas) a 100 gradi.

La temperatura alla quale avviene la transizione è chiamata punto critico. Vicino a questo punto si verificano interessanti fenomeni fisici. Per esempio, come l'acqua viene riscaldata, iniziano a formarsi piccole regioni di gas e l'acqua bolle. All'aumentare della temperatura del liquido verso il punto critico, la dimensione delle bolle di gas aumenta. Quando la dimensione della bolla diventa paragonabile alla lunghezza d'onda della luce, la luce viene dispersa e fa apparire "lattiginoso" il liquido normalmente trasparente, un fenomeno noto come opalescenza critica.

Negli ultimi anni la comunità scientifica ha mostrato un crescente interesse per le transizioni di fase quantistiche in cui un sistema transita tra due stati a temperatura zero assoluto (-273 gradi) a seguito della manipolazione di un parametro fisico come il campo magnetico, pressione o composizione chimica invece della temperatura. In queste transizioni il cambiamento avviene non a causa dell'energia termica fornita al sistema dal riscaldamento ma piuttosto dalle fluttuazioni quantistiche. Sebbene lo zero assoluto non sia fisicamente raggiungibile, le caratteristiche della transizione possono essere rilevate nel comportamento a bassissima temperatura del sistema vicino al punto critico quantistico. Tali caratteristiche includono "bolle quantiche" di una fase nell'altra. La dimensione e la durata di queste bolle quantiche aumentano man mano che il sistema è sintonizzato verso il punto critico, dando luogo a un equivalente quantistico di opalescenza critica.

La previsione teorica di tale criticità quantistica è stata fornita alcuni decenni fa, ma come misurarlo sperimentalmente è rimasto un mistero. Prof. Aviad Frydman del Dipartimento di Fisica dell'Università di Bar-Ilan e dell'Istituto di nanotecnologie e materiali avanzati, e il suo allievo Shachar Poran, insieme al Dr. Olivier Bourgeois del CNRS Grenoble, hanno fornito per la prima volta la risposta.

Creare un Nano-trampolino

Nelle normali transizioni di fase esiste un'unica quantità misurabile che viene utilizzata per rilevare un punto critico. Questo è il calore specifico che misura la quantità di energia termica che dovrebbe essere fornita a un sistema per aumentare la sua temperatura di un grado. Aumentare la temperatura di un sistema di due gradi richiede il doppio dell'energia necessaria per aumentarla di un grado. Però, vicino a una transizione di fase questo non è più il caso. Gran parte dell'energia viene investita nella creazione delle bolle (o fluttuazioni) e, perciò, più energia deve essere investita per generare un simile cambiamento di temperatura. Di conseguenza, il calore specifico sale in prossimità del punto critico e la sua misurazione fornisce informazioni sulle fluttuazioni.

La misurazione del calore specifico di un sistema vicino a un punto critico quantistico rappresenta una sfida molto più grande. in primo luogo, le misurazioni devono essere effettuate a basse temperature. In secondo luogo, i sistemi in studio sono strati nanosottili che richiedono misurazioni estremamente sensibili. Il gruppo di Frydman ha superato questi ostacoli sviluppando un design sperimentale unico basato su una sottile membrana sospesa in aria da ponti molto stretti, formando così un "nano-trampolino". Questa configurazione ha consentito misurazioni di calore specifiche dei film sottili attraverso una transizione di fase quantistica da uno stato superconduttore a uno stato elettricamente isolante vicino alla temperatura dello zero assoluto.

La misurazione eseguita dal gruppo di Frydman è la prima del suo genere. I risultati dimostrano che, proprio come nel caso di una transizione di fase termica, il calore specifico aumenta similmente in prossimità di un punto critico quantistico, e può essere usato come sonda per la criticità quantistica. Questo lavoro dovrebbe essere una pietra miliare nella comprensione dei processi fisici che governano il comportamento dei sistemi ultrasottili a temperature ultrabasse.

Il prof. Frydman presenterà questa ricerca in una serie di conferenze internazionali nelle prossime settimane. La ricerca è stata supportata dal Laboratoire d'Excellence LANEF di Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) per il Prof. Frydman.