Tra tutti i curiosi stati della materia che possono coesistere in un materiale quantistico, spingendosi per il primato come la temperatura, la densità elettronica e altri fattori cambiano, alcuni scienziati pensano che esista una giustapposizione particolarmente strana in una singola intersezione di fattori, chiamato punto critico quantistico o QCP.

"I punti critici quantistici sono una questione molto calda e interessante per molti problemi, "dice Wei-Sheng Lee, uno scienziato del personale presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'energia e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Alcuni suggeriscono che sono anche analoghi ai buchi neri, nel senso che sono singolarità, intersezioni puntiformi tra diversi stati della materia in un materiale quantistico, dove puoi ottenere ogni sorta di comportamento degli elettroni molto strano mentre ti avvicini a loro. "

Lee e i suoi collaboratori hanno riferito in Fisica della natura oggi che hanno trovato prove evidenti dell'esistenza di QCP e delle fluttuazioni associate. Hanno usato una tecnica chiamata scattering anelastico risonante di raggi X (RIXS) per sondare il comportamento elettronico di un materiale di ossido di rame, o cuprato, che conduce elettricità con perfetta efficienza a temperature relativamente elevate.

Questi cosiddetti superconduttori ad alta temperatura sono un vivace campo di ricerca perché potrebbero dare origine a una trasmissione di energia a rifiuti zero, sistemi di trasporto efficienti dal punto di vista energetico e altre tecnologie futuristiche, anche se nessuno conosce ancora il meccanismo microscopico alla base della superconduttività ad alta temperatura. Anche l'esistenza di QCP nei cuprati è una questione molto dibattuta.

Negli esperimenti presso la Diamond Light Source del Regno Unito, il team ha raffreddato il cuprato a temperature inferiori a 90 kelvin (meno 183 gradi Celsius), dove è diventato superconduttore. Hanno concentrato la loro attenzione su ciò che è noto come ordine di carica, strisce alternate nel materiale in cui gli elettroni e le loro cariche negative sono più dense o più sparse.

Gli scienziati hanno eccitato il cuprato con i raggi X e hanno misurato la luce dei raggi X che si è diffusa nel rivelatore RIXS. Ciò ha permesso loro di mappare come le eccitazioni si propagavano attraverso il materiale sotto forma di vibrazioni sottili, o fononi, nel reticolo atomico del materiale, difficili da misurare e richiedono strumenti ad altissima risoluzione.

Allo stesso tempo, i raggi X e i fononi possono eccitare elettroni nelle strisce dell'ordine di carica, facendo fluttuare le strisce. Poiché i dati ottenuti da RIXS riflettono l'accoppiamento tra il comportamento delle strisce di carica e il comportamento dei fononi, l'osservazione dei fononi ha permesso ai ricercatori di misurare il comportamento delle strisce di ordine di carica, pure.

Quello che gli scienziati si aspettavano di vedere è che quando le strisce dell'ordine di carica si sono indebolite, anche le loro eccitazioni svanirebbero. "Ma quello che abbiamo osservato è stato molto strano, "Ha detto Lee. "Abbiamo visto che quando l'ordine di carica è diventato più debole nello stato superconduttore, le eccitazioni dell'ordine di carica sono diventate più forti. Questo è un paradosso perché dovrebbero andare di pari passo, ed è quello che le persone trovano in altri sistemi di ordini di addebito."

Ha aggiunto, "Per quanto ne so questo è il primo esperimento sull'ordine di carica che ha mostrato questo comportamento. Alcuni hanno suggerito che questo è ciò che accade quando un sistema è vicino a un punto critico quantistico, dove le fluttuazioni quantistiche diventano così forti da fondere l'ordine di carica, proprio come il riscaldamento del ghiaccio aumenta le vibrazioni termiche nel suo rigido reticolo atomico e lo fonde in acqua. La differenza è che la fusione quantistica, in linea di principio, avviene a temperatura zero." In questo caso, Lee ha detto, le eccitazioni dell'ordine di carica inaspettatamente forti osservate con RIXS erano manifestazioni di quelle fluttuazioni quantistiche.

Lee ha affermato che il team sta ora studiando questi fenomeni a una gamma più ampia di temperature e a diversi livelli di drogaggio, in cui vengono aggiunti composti per modificare la densità degli elettroni che si muovono liberamente nel materiale, per vedere se possono inchiodare esattamente dove il critico quantistico punto potrebbe essere in questo materiale.

Thomas Devereaux, teorico del SIMES e autore senior del rapporto, ha notato che molte fasi della materia possono essere intrecciate nei cuprati e in altri materiali quantistici.

"Stati superconduttori e magnetici, le strisce dell'ordine di addebito e così via sono così intrecciate che puoi trovarti in tutte contemporaneamente, " ha detto. "Ma siamo bloccati nel nostro modo classico di pensare che devono essere in un modo o nell'altro."

Qui, Egli ha detto, "Abbiamo un effetto, e Wei-Sheng sta cercando di misurarlo in dettaglio, cercando di vedere cosa sta succedendo."