I ricercatori dell'Università del Maryland hanno catturato le prove più dirette fino ad oggi di una stranezza quantistica che consente alle particelle di passare attraverso una barriera come se non fosse nemmeno lì. Il risultato, apparso sulla copertina del 20 giugno, Numero 2019 della rivista Natura , potrebbe consentire agli ingegneri di progettare componenti più uniformi per i futuri computer quantistici, sensori quantistici e altri dispositivi.

Il nuovo esperimento è un'osservazione del tunneling di Klein, un caso speciale di un fenomeno quantistico più ordinario. Nel mondo quantistico, il tunneling consente a particelle come gli elettroni di passare attraverso una barriera anche se non hanno energia sufficiente per scavalcarla. Una barriera più alta di solito lo rende più difficile e lascia passare meno particelle.

Il tunneling di Klein si verifica quando la barriera diventa completamente trasparente, aprendo un portale che le particelle possono attraversare indipendentemente dall'altezza della barriera. Scienziati e ingegneri del Centro UMD per la nanofisica e i materiali avanzati (CNAM), il Joint Quantum Institute (JQI) e il Condensed Matter Theory Center (CMTC), con incarichi presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e il Dipartimento di Fisica dell'UMD, hanno fatto le misurazioni più convincenti finora dell'effetto.

"Il tunneling di Klein era originariamente un effetto relativistico, predetto per la prima volta quasi cento anni fa, "dice Ichiro Takeuchi, un professore di scienza e ingegneria dei materiali (MSE) presso l'UMD e l'autore senior del nuovo studio. "Fino a poco tempo fa, anche se, non potevi osservarlo."

Era quasi impossibile raccogliere prove per il tunneling di Klein dove era stato previsto per la prima volta:il mondo delle particelle quantistiche ad alta energia che si muovevano vicino alla velocità della luce. Ma negli ultimi decenni, gli scienziati hanno scoperto che alcune delle regole che governano le particelle quantistiche in rapido movimento si applicano anche alle particelle relativamente lente che viaggiano vicino alla superficie di alcuni materiali insoliti.

Uno di questi materiali, che i ricercatori hanno utilizzato nel nuovo studio, è l'esaboruro di samario (SmB6), una sostanza che alle basse temperature diventa un isolante topologico. In un normale isolante come il legno, gomma o aria, gli elettroni sono intrappolati, incapace di muoversi anche quando viene applicata la tensione. Così, a differenza dei loro compagni vaganti in un filo metallico, gli elettroni in un isolante non possono condurre una corrente.

Gli isolanti topologici come SmB6 si comportano come materiali ibridi. A temperature sufficientemente basse, l'interno di SmB6 è un isolante, ma la superficie è metallica e consente agli elettroni una certa libertà di movimento. Inoltre, la direzione in cui si muovono gli elettroni viene bloccata su una proprietà quantistica intrinseca chiamata spin che può essere orientata verso l'alto o verso il basso. Gli elettroni che si muovono verso destra avranno sempre il loro spin rivolto verso l'alto, Per esempio, e gli elettroni che si spostano a sinistra avranno il loro spin rivolto verso il basso.

La superficie metallica di SmB6 non sarebbe stata sufficiente per individuare il tunnel di Klein, anche se. Si è scoperto che Takeuchi e colleghi avevano bisogno di trasformare la superficie di SmB6 in un superconduttore, un materiale in grado di condurre corrente elettrica senza alcuna resistenza.

Per trasformare SmB6 in un superconduttore, ne mettono un film sottile sopra uno strato di esaboruro di ittrio (YB6). Quando l'intero gruppo è stato raffreddato a pochi gradi sopra lo zero assoluto, l'YB6 è diventato un superconduttore e, per la sua vicinanza, la superficie metallica di SmB6 è diventata un superconduttore, pure.

Era un "pezzo di serendipità" che SmB6 e il suo parente scambiato con ittrio condividessero la stessa struttura cristallina, dice Johnpierre Paglione, un professore di fisica all'UMD, il direttore del CNAM e coautore del documento di ricerca. "Però, il team multidisciplinare di cui disponiamo è stata una delle chiavi di questo successo. Avere esperti di fisica topologica, sintesi di film sottili, la spettroscopia e la comprensione teorica ci hanno davvero portato a questo punto, " Aggiunge Paglione.

La combinazione si è rivelata la giusta combinazione per osservare il tunneling di Klein. Portando una minuscola punta di metallo a contatto con la parte superiore dell'SmB6, il team ha misurato il trasporto di elettroni dalla punta al superconduttore. Hanno osservato una conduttanza perfettamente raddoppiata, una misura di come cambia la corrente attraverso un materiale al variare della tensione ai suoi capi.

"Quando abbiamo osservato per la prima volta il raddoppio, non ci credevo, " dice Takeuchi. "Dopo tutto, è un'osservazione insolita, quindi ho chiesto al mio postdoc Seunghun Lee e al ricercatore Xiaohang Zhang di tornare indietro e ripetere l'esperimento".

Quando Takeuchi e i suoi colleghi sperimentali si convinsero che le misurazioni erano accurate, inizialmente non capirono la fonte della conduttanza raddoppiata. Così hanno iniziato a cercare una spiegazione. Victor Galitski dell'UMD, un collega JQI, professore di fisica e membro del CMTC, ha suggerito che il tunneling di Klein potrebbe essere coinvolto.

"All'inizio, era solo un'intuizione, "Dice Galitski. "Ma col tempo ci siamo convinti che lo scenario di Klein potesse effettivamente essere la causa sottostante delle osservazioni".

Valentino Stanev, un ricercatore associato in MSE e un ricercatore presso JQI, ha preso l'intuizione di Galitski e ha elaborato un'attenta teoria su come il tunneling di Klein potrebbe emergere nel sistema SmB6, facendo infine previsioni che corrispondessero bene ai dati sperimentali.

La teoria suggeriva che il tunneling di Klein si manifestasse in questo sistema come una forma perfetta di riflessione di Andreev, un effetto presente ad ogni confine tra un metallo e un superconduttore. La riflessione di Andreev può verificarsi ogni volta che un elettrone del metallo salta su un superconduttore. All'interno del superconduttore, gli elettroni sono costretti a vivere in coppia, quindi quando un elettrone salta su, prende un amico.

Per bilanciare la carica elettrica prima e dopo il salto, una particella con la carica opposta, che gli scienziati chiamano buco, deve riflettersi nel metallo. Questo è il segno distintivo della riflessione di Andreev:un elettrone entra, torna fuori un buco. E poiché un buco che si muove in una direzione porta la stessa corrente di un elettrone che si muove nella direzione opposta, questo intero processo raddoppia la conduttanza complessiva, la firma del tunneling di Klein attraverso una giunzione di un metallo e un superconduttore topologico.

Nelle giunzioni convenzionali tra un metallo e un superconduttore, ci sono sempre degli elettroni che non fanno il salto. Si disperdono dal confine, riducendo la quantità di riflessione di Andreev e prevenendo un esatto raddoppio della conduttanza.

Ma poiché gli elettroni nella superficie di SmB6 hanno la loro direzione di movimento legata al loro spin, gli elettroni vicino al confine non possono rimbalzare, il che significa che transiteranno sempre direttamente nel superconduttore.

"Il tunneling di Klein era stato visto anche nel grafene, " dice Takeuchi. "Ma qui, perché è un superconduttore, Direi che l'effetto è più spettacolare. Si ottiene questo esatto raddoppio e l'annullamento completo della dispersione, e non c'è un analogo di questo nell'esperimento del grafene."

Le giunzioni tra superconduttori e altri materiali sono ingredienti in alcune proposte di architetture di computer quantistici, così come nei dispositivi di rilevamento di precisione. La rovina di questi componenti è sempre stata che ogni giunzione è leggermente diversa, Takeuchi dice, che richiedono una messa a punto e una calibrazione senza fine per raggiungere le migliori prestazioni. Ma con il tunneling Klein in SmB6, i ricercatori potrebbero finalmente avere un antidoto a tale irregolarità.

"Nell'elettronica, la diffusione da dispositivo a dispositivo è il nemico numero uno, " Dice Takeuchi. "Ecco un fenomeno che elimina la variabilità".

Il documento di ricerca, "Riflessione perfetta di Andreev dovuta al paradosso di Klein in uno stato topologico superconduttore, "Seunghun Lee, Valentino Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack fiori, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Xiaoqing Pan, Victor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Victor Galitski, e Ichiro Takeuchi, è stato pubblicato nella rivista Natura il 20 giugno, 2019.