Spostati su Godzilla vs. King Kong:questo è l'evento crossover che stavi aspettando. Bene, almeno se sei un fisico della materia condensata. I ricercatori dell'Università di Harvard hanno dimostrato il primo materiale che può avere sia interazioni elettroniche fortemente correlate che proprietà topologiche. Non sei del tutto sicuro di cosa significhi? Non preoccuparti, ti guideremo attraverso di esso. Tutto quello che devi sapere in questo momento è che questa scoperta non solo apre la strada a un calcolo quantistico più stabile, ma anche a una piattaforma completamente nuova per esplorare il mondo selvaggio della fisica esotica.

La ricerca è stata pubblicata su Fisica della natura .

Cominciamo con le basi. Gli isolanti topologici sono materiali che possono condurre elettricità sulla loro superficie o bordo ma non nel mezzo. La cosa strana di questi materiali è che non importa come li tagli, la superficie sarà sempre conduttiva e quella centrale sempre isolante. Questi materiali offrono un parco giochi per la fisica fondamentale, ma sono anche promettenti per una serie di applicazioni in tipi speciali di elettronica e informatica quantistica.

Dalla scoperta degli isolanti topologici, ricercatori di tutto il mondo hanno lavorato per identificare materiali con queste potenti proprietà.

"Un recente boom nella fisica della materia condensata è venuto dalla scoperta di materiali con proprietà topologicamente protette, " ha detto Harris Pirie, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica e primo autore dell'articolo.

Un potenziale materiale, esaboruro di samario, è stata al centro di un acceso dibattito tra i fisici della materia condensata per più di un decennio. La domanda centrale:è o non è un isolante topologico?

"Negli ultimi dieci anni, sono usciti un mucchio di giornali che dicevano di sì e un mucchio di giornali che dicevano di no, " ha detto Pirie. "Il nocciolo del problema è che la maggior parte dei materiali topologici non ha elettroni che interagiscono fortemente, il che significa che gli elettroni si muovono troppo velocemente per sentirsi l'un l'altro. Ma l'esaboruro di samario sì, il che significa che gli elettroni all'interno di questo materiale rallentano abbastanza da interagire fortemente. In questo regno, la teoria diventa abbastanza speculativa e non è chiaro se sia possibile o meno che anche i materiali con proprietà fortemente interagenti siano topologici. Come sperimentatori, abbiamo lavorato in gran parte alla cieca con materiali come questo."

Per dirimere il dibattito e capire, una volta per tutte, se è possibile o meno avere proprietà sia fortemente interagenti che topologiche, i ricercatori avevano prima bisogno di trovare una zona ben ordinata di superficie di esaboruro di samario su cui eseguire l'esperimento.

Non era un compito facile, considerando che la maggior parte della superficie del materiale è scoscesa, disordine disordinato. I ricercatori hanno utilizzato strumenti di misurazione ad altissima precisione sviluppati nel laboratorio di Jenny Hoffman, il Clowes Professor of Science e autore senior dell'articolo, per trovare un adatto, patch su scala atomica di esaboruro di samario.

Prossimo, il team ha deciso di determinare se il materiale fosse topologicamente isolante inviando onde di elettroni attraverso il materiale e disperdendoli dai difetti atomici, come far cadere un sassolino in uno stagno. Osservando le onde, i ricercatori potrebbero capire il momento degli elettroni in relazione alla loro energia.

"Abbiamo scoperto che la quantità di moto degli elettroni è direttamente proporzionale alla loro energia, che è la pistola fumante di un isolante topologico, " ha detto Pirie. "È davvero emozionante entrare finalmente in questa intersezione tra fisica interattiva e fisica topologica. Non sappiamo cosa troveremo qui".

Per quanto riguarda l'informatica quantistica, i materiali topologici che interagiscono fortemente possono essere in grado di proteggere i qubit dall'oblio del loro stato quantistico, un processo chiamato decoerenza.

"Se potessimo codificare le informazioni quantistiche in uno stato topologicamente protetto, è meno suscettibile al rumore esterno che può commutare accidentalmente il qubit, " ha detto Hoffman. "Microsoft ha già un grande team che persegue il calcolo quantistico topologico in materiali compositi e nanostrutture. Il nostro lavoro dimostra il primo in un singolo materiale topologico che sfrutta forti interazioni di elettroni che potrebbero eventualmente essere utilizzate per il calcolo quantistico topologico".

"Il prossimo passo sarà usare la combinazione di stati quantistici topologicamente protetti e interazioni forti per progettare nuovi stati quantistici della materia, come i superconduttori topologici, " disse Dirk Morr, Professore di Fisica presso l'Università dell'Illinois a Chicago e il teorico senior della carta. "Le loro straordinarie proprietà potrebbero aprire possibilità senza precedenti per l'implementazione di bit quantistici topologici".

Questa ricerca è stata co-autrice di Yu Liu, Anjan Soumyanarayanan, Pengcheng Chen, Yang He, M. M. Sì, P.F.S.Rosa, J. D. Thompson, Dae-Jeong Kim, Z. Fisk, Xiangfeng Wang, Johnpierre Paglione, e M. H. Hamidian.

Le misurazioni elettroniche ad Harvard e la crescita dei cristalli di esaboruro di samario all'UC Irvine sono state supportate dalla National Science Foundation. La crescita dei cristalli presso l'Università del Maryland è stata supportata dalla Gordon &Betty Moore Foundation. Le misurazioni magnetiche presso il Los Alamos National Lab e il lavoro teorico presso l'Università dell'Illinois sono stati supportati dal Dipartimento dell'Energia.