I fisici che studiano lo strano comportamento delle leghe metalliche chiamate fermioni pesanti hanno fatto una scoperta sorprendente che potrebbe essere utile per salvaguardare le informazioni memorizzate nei bit quantistici, o qubit, le unità di base delle informazioni codificate nei computer quantistici.

In uno studio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , ricercatori della Rice University e della Vienna University of Technology (TU Wien) in Austria hanno esaminato il comportamento di un cristallo intermetallico di cerio, palladio e silicio poiché è stato sottoposto a freddo estremo e un forte campo magnetico. Con loro sorpresa, hanno scoperto di poter trasformare il comportamento quantistico del materiale in due modi unici, uno in cui gli elettroni competono per occupare orbitali e un altro in cui competono per occupare stati di spin.

"L'effetto è così pronunciato con un grado di libertà che finisce per liberare l'altro, " disse Qimiao Si di Rice, co-autore dello studio e direttore del Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Puoi essenzialmente mettere a punto il sistema per massimizzare i danni a uno di questi, lasciando l'altro ben definito."

Si ha detto che il risultato potrebbe essere importante per aziende come Google, IBM, Intel e altri che sono in competizione per sviluppare computer quantistici. A differenza dei computer digitali di oggi, che usano l'elettricità o la luce per codificare bit di informazioni, i computer quantistici utilizzano gli stati quantistici delle particelle subatomiche come gli elettroni per memorizzare le informazioni in qubit. Un pratico computer quantistico potrebbe superare la sua controparte digitale in molti modi, ma la tecnologia è ancora agli inizi, e uno dei principali ostacoli è la fragilità degli stati quantistici all'interno dei qubit.

"Hai bisogno di uno stato quantico ben definito se vuoi essere certo che le informazioni memorizzate in un qubit non cambieranno a causa dell'interferenza di fondo, "Si disse.

Ogni elettrone si comporta come un magnete rotante, e il suo spin è descritto in uno dei due valori, su o giù. In molti progetti di qubit, le informazioni sono codificate in questi giri, ma questi stati possono essere così fragili che anche piccole quantità di luce, calore, vibrazioni o suoni possono farli passare da uno stato all'altro. Ridurre al minimo le informazioni perse a causa di tale "decoerenza" è una delle principali preoccupazioni nella progettazione dei qubit, Si ha detto.

Nel nuovo studio, Si ha lavorato con il collaboratore di lunga data Silke Paschen di TU Wien per studiare un materiale in cui gli stati quantistici degli elettroni sono stati rimescolati non solo in termini di spin ma anche in termini di orbitali.

"Abbiamo progettato un sistema, realizzato in alcuni modelli teorici e contemporaneamente realizzato in un materiale, dove gli spin e gli orbitali sono quasi sullo stesso piano e sono fortemente accoppiati tra loro, " Egli ha detto.

Da precedenti ricerche nel 2012, si, Paschen e colleghi sapevano che gli elettroni nel composto potevano interagire in modo così forte che il materiale avrebbe subito un cambiamento drammatico a una temperatura estremamente fredda. Su entrambi i lati di questo "punto critico quantistico, "gli elettroni negli orbitali chiave si organizzerebbero in un modo completamente diverso, con lo spostamento che si verifica esclusivamente a causa delle interazioni quantistiche tra di loro.

Lo studio precedente ha invocato una teoria ben nota Si e collaboratori sviluppata nel 2001 che prescrive come gli spin di questi elettroni localizzati, che fanno parte degli atomi all'interno della lega, si accoppiano fortemente con elettroni di conduzione a flusso libero nel punto critico quantistico. Secondo questa teoria "quantistica critica locale", man mano che il materiale si raffredda e si avvicina al punto critico, gli spin degli elettroni localizzati e degli elettroni di conduzione iniziano a competere per occupare particolari stati di spin. Il punto critico quantistico è il punto di svolta in cui questa competizione distrugge la disposizione ordinata degli elettroni localizzati e invece diventano completamente entangled con gli elettroni di conduzione.

Anche se Si ha studiato la criticità quantistica per quasi 20 anni, fu sorpreso dai risultati degli ultimi esperimenti di Paschen.

"I nuovi dati erano completamente sconcertanti per tutti noi, " ha detto. "Cioè, finché non ci siamo resi conto che il sistema conteneva non solo spin ma anche orbitali come gradi di libertà attivi".

Con quella presa di coscienza, La squadra di Si, tra cui lo studente laureato Rice Ang Cai, costruito un modello teorico che contiene sia gli spin che gli orbitali. La loro analisi dettagliata del modello ha rivelato una forma sorprendente di criticità quantistica che ha fornito una chiara comprensione degli esperimenti.

"È stato uno shock per me, sia dal punto di vista del modello teorico che degli esperimenti, " ha detto. "Anche se questa è una zuppa di cose - giri, orbitali che sono tutti fortemente accoppiati tra loro e agli elettroni di conduzione di fondo:potremmo risolvere due punti critici quantistici in questo unico sistema regolando un parametro, che è il campo magnetico. E in ognuno dei punti critici quantistici, solo lo spin o l'orbitale guidano la criticità quantistica. L'altro è più o meno uno spettatore".