I condensati di Bose-Einstein sono fasi quantistiche macroscopiche della materia che compaiono solo in condizioni molto particolari. Imparare di più su queste fasi della materia potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare una migliore comprensione dei comportamenti quantistici fondamentali e possibilmente contribuire alla futura tecnologia quantistica.

Ecco perché Kate Ross e Ph.D. candidato Gavin Hester, ricercatori della Colorado State University, sono all'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) per sondare un materiale chiamato silicato di itterbio. Ross crede che il silicato di itterbio, l'unico materiale magnetico basato su un elemento di terre rare che mostra prove di un condensato di Bose-Einstein, potrebbe contenere la chiave per comprendere i fenomeni quantistici in altri magneti basati su elementi di terre rare. Sondando campioni di silicato di itterbio con neutroni, Ross spera di generare una mappa dettagliata di questo unico condensato di Bose-Einstein e quindi utilizzare quella mappa per convalidare la sua ipotesi identificando stati quantistici esotici in altri materiali magnetici. Ross e i suoi collaboratori discutono delle loro scoperte nel loro articolo pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"Se riusciamo a comprendere meglio il condensato di Bose-Einstein che vediamo in questo materiale, quindi potremmo potenzialmente usare quella conoscenza per scoprire stati quantistici a molti corpi simili in altri materiali magnetici basati su elementi di terre rare, " ha detto Rossi.

Ross spiega che il condensato di Bose-Einstein, nota anche come fase BEC, è un fluido quantistico in cui le particelle smettono di comportarsi come entità individuali e si comportano invece come onde che si muovono in sincronia l'una con l'altra attraverso il tessuto di un singolo, sistema unificato. È diverso da qualsiasi solido, liquido, gas, o plasma e compare solo a temperature prossime allo zero assoluto, o 0 K (circa -460°F). Gli scienziati hanno ancora molto da imparare su questo stato unico della materia, ma c'è speranza che le sue proprietà uniche possano un giorno contribuire a materiali avanzati.

"Non esiste un collegamento diretto tra i condensati di Bose-Einstein e le attuali proposte per la tecnologia quantistica. Ma abbiamo anche molto da imparare su come si comporta questo materiale, e rispondere ad alcune di queste domande fondamentali sui fenomeni quantistici sarà la base per futuri risultati scientifici, " disse Hester.

Per i principianti, è stato a lungo ipotizzato che i condensati di Bose-Einstein non possano apparire in materiali magnetici basati su elementi di terre rare perché quelle particolari interazioni magnetiche non sembravano essere abbastanza isotrope da far apparire una fase BEC. Ma, avendo osservato prove di una fase BEC nel silicato di itterbio durante esperimenti passati, Ross e il suo team sospettano che questa ipotesi possa essere falsa.

"Siamo rimasti davvero sorpresi quando abbiamo visto le prove di una fase BEC. Suggerisce che l'itterbio è un ingrediente molto più versatile per la formazione di stati quantistici a molti corpi di quanto pensassimo in precedenza, " ha detto Rossi.

Per comprendere meglio la capacità del silicato di itterbio di ospitare una fase BEC, Ross ha usato lo strumento Cold Neutron Chopper Spectrometer, o CNC, presso la Spallation Neutron Source (SNS) di ORNL e lo spettrometro a triplo asse a energia a incidente fisso, o FIE-TAX, all'High Flux Isotope Reactor (HFIR) per sondare campioni cristallizzati di silicato di itterbio. Misure complementari di raggi X e diffusione di neutroni sono state eseguite presso l'Argonne National Laboratory e il National Institute of Standards and Technology.

Questi esperimenti sono in corso da quasi 4 anni. Il gruppo di ricerca di Ross ha iniziato a coltivare campioni di silicato di itterbio e a mappare il comportamento di questo materiale nel 2015. Con i loro collaboratori, hanno usato varie sonde presso la Colorado State University e la Sherbrooke University in Canada per dare una prima occhiata al comportamento del materiale, ma erano ansiosi di usare la diffusione di neutroni per sondare i loro campioni.

"I neutroni stanno penetrando profondamente, e mentre passano attraverso i nostri campioni, stimolano queste particelle quantistiche emergenti in modo tale da poter valutare con precisione come si comportano queste particelle all'interno della microstruttura del silicato di itterbio, " disse Hester.

Per preparare i loro campioni per la diffusione di neutroni, Ross e i suoi collaboratori hanno dovuto tagliare e allineare ogni singolo cristallo in modo che ciascuno fosse orientato nella stessa direzione. Per di più, Ross ha dovuto esporre i suoi campioni di silicato di itterbio a un campo magnetico e utilizzare una camera di raffreddamento speciale per portarli a una temperatura di -459.28°F, che è più freddo dello spazio interstellare e molto vicino allo zero assoluto.

"Mettere insieme questo esperimento ha richiesto molto lavoro, ma i dati che abbiamo ottenuto sono valsi sicuramente la pena, " ha detto Rossi.

Ross e Hester sperano che il loro lavoro non solo farà luce su come la fase BEC del silicato di itterbio sia unica, ma offrono anche ai ricercatori una migliore comprensione dei fenomeni quantistici in generale così come appaiono in altri materiali magnetici basati su elementi di terre rare.

"Siamo decisamente interessati a saperne di più su questa fase BEC nel silicato di itterbio in particolare, ma speriamo che ciò che apprendiamo qui aiuterà anche i nostri colleghi a scoprire più stati quantistici nei materiali a base di terre rare. Questa comprensione fondamentale è essenziale per formare le piattaforme materiali delle future tecnologie quantistiche, " ha detto Rossi.