I ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE) e collaboratori multi-istituzionali hanno studiato BACOVO, un materiale quantistico unidimensionale. Riferiscono che il materiale mostra una nuova transizione di fase topologica governata da due tipi di eccitazione topologica. Inoltre, erano in grado di scegliere quale dei due tipi avrebbe dominato l'altro. La loro ricerca è pubblicata sulla rivista Fisica della natura .

I ricercatori hanno attinto al lavoro dei vincitori del Premio Nobel 2016 per la fisica, David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. I tre fisici hanno predetto che una serie di eccitazioni topologiche in un materiale quantistico potrebbe indurre una transizione di fase. Numerose teorie sono state sviluppate su queste eccitazioni topologiche, compresa la possibilità di combinarne due in un unico materiale. Ma è una possibilità reale? E se così fosse, cosa succederebbe? Le squadre di UNIGE e CEA, Il CNRS e l'UGA sono stati in grado di fornire la prima conferma sperimentale della teoria che prevede l'esistenza di due insiemi simultanei di eccitazioni topologiche e la loro competizione. I risultati costituiscono una piccola rivoluzione nel misterioso mondo delle proprietà quantistiche.

I ricercatori del CEA, CNRS, e Université Grenoble Alpes stavano lavorando su un materiale antiferromagnetico unidimensionale con proprietà particolari:BACOVO (BaCo ₂ V ₂ oh ₈ ). "Abbiamo eseguito vari esperimenti su BACOVO, un ossido caratterizzato dalla sua struttura elicoidale, " hanno scritto i ricercatori. Ma i risultati sperimentali hanno evidenziato una sconcertante transizione di fase, motivo per cui il team ha chiamato Thierry Giamarchi, professore presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE.

Giamarchi dice, "In base ai loro risultati, abbiamo stabilito quadri teorici capaci di interpretarli. Questi modelli teorici sono stati quindi testati nuovamente utilizzando nuovi esperimenti in modo da poter essere convalidati".

Lo scopo era capire come agiscono le proprietà quantistiche di BACOVO, soprattutto le loro eccitazioni topologiche. Quentin Faure, Studente di dottorato presso l'Institute for Nanoscience and Cryogenics (CEA/UGA) e Néel Institute, dice, "Per questo scopo, abbiamo usato lo scattering di neutroni, il che significa che abbiamo inviato un raggio di neutroni sul materiale. I neutroni si comportano come piccoli magneti che interagiscono con quelli di BACOVO, secondo una strategia caratterizzata come 'disturbare per rivelare, " aiutandoci a capire le loro proprietà." Quando il modello sviluppato all'UNIGE corrisponde all'esperimento, diventa il modello standard del materiale. Il professor Giamarchi dice, "Il modello che abbiamo stabilito con Shintaro Takayoshi ha previsto esattamente il risultato visto nell'esperimento".

Ma questo esperimento ha anche portato a una scoperta che gli scienziati non avevano previsto. "Dopo aver optato per il modello standard per BACOVO, abbiamo osservato proprietà inaspettate, "dice Shintaro Takayoshi, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. Quando posto in un campo magnetico, BACOVO sviluppa una seconda serie di eccitazioni topologiche che sono in competizione con la prima, confermando le teorie degli anni '70 e '80 organizzate intorno al campo aperto dal lavoro degli scienziati del Nobel. "Oltre a provare l'esistenza di questo confronto tra due insiemi di eccitazioni topologiche all'interno dello stesso materiale - un evento senza precedenti - siamo stati in grado di controllare sperimentalmente quale insieme avrebbe dominato l'altro, "aggiunge Takayoshi.

Quella che in origine era un'ipotesi teorica è diventata un esperimento verificato. L'analisi approfondita di BACOVO intrapresa dai fisici ha dimostrato che due insiemi di eccitazioni topologiche entrano in diretto confronto nello stesso materiale e controllano lo stato della materia, che differisce a seconda dell'insieme dominante, ottenendo una transizione di fase quantistica. Per di più, gli scienziati sono riusciti a controllare quale insieme prevale, il che significa che potrebbero regolare lo stato della materia di BACOVO a piacimento. "Questi risultati aprono un'intera gamma di possibilità in termini di ricerca sulla fisica quantistica, " conclude il professor Giamarchi. "E' vero che siamo ancora al livello fondamentale, ma è attraverso questo tipo di scoperta che ci avviciniamo ogni giorno di più alle applicazioni per le proprietà quantistiche dei materiali, e perché non i computer quantistici?"