Quando si tratta di comprendere appieno i segreti nascosti dei materiali quantistici, ci vuole uno per conoscerne uno, gli scienziati dicono:solo gli strumenti che operano anche su principi quantistici possono portarci lì.

Un nuovo centro di ricerca del Dipartimento dell'Energia si concentrerà sullo sviluppo di questi strumenti. Con sede presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, il Center for Quantum Sensing and Quantum Materials riunisce esperti dell'UIUC, Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del DOE, Stanford University e l'Università dell'Illinois-Chicago.

Lavoreranno allo sviluppo di tre dispositivi di rilevamento quantistico all'avanguardia:un microscopio a scansione qubit, uno strumento di spettroscopia che sfrutta coppie di elettroni entangled e un altro strumento che sonderà materiali con coppie di fotoni dal laser a elettroni liberi a raggi X di SLAC, la sorgente luminosa coerente Linac, che ha recentemente riaperto dopo un aggiornamento.

Queste nuove tecniche consentiranno ai ricercatori di vedere in modo molto più dettagliato perché i materiali quantistici fanno le cose strane che fanno, aprendo la strada alla scoperta di nuovi materiali quantistici e all'invenzione di sonde ancora più sensibili del loro comportamento.

Il lavoro si concentrerà sulla comprensione dei processi a livello atomico alla base dei superconduttori non convenzionali che conducono elettricità senza resistenza a temperature relativamente elevate; isolanti topologici, che trasportano corrente senza perdite lungo i loro bordi; e strani metalli, che sono superconduttori quando sono raffreddati ma hanno proprietà strane a temperature più elevate.

"La cosa eccitante è che questo centro ci dà la possibilità di creare alcune tecniche di misurazione quantistica davvero nuove per studiare materiali quantistici rilevanti per l'energia, " Direttore del centro Pietro Abbamonte, un professore di fisica all'UIUC, detto in un comunicato stampa.

"Spesso rimaniamo intrappolati nel ciclo di utilizzo delle stesse vecchie misurazioni, non perché non abbiamo bisogno di nuovi tipi di informazioni o conoscenze, ma poiché lo sviluppo di tecniche è costoso e richiede tempo, " disse Abbamonte. Il nuovo centro, Egli ha detto, consentirà agli scienziati di spingersi oltre i limiti della misurazione quantistica affrontando problemi più grandi.

Stati entangled esotici

I materiali quantistici prendono il nome dal fatto che le loro proprietà esotiche derivano dal comportamento cooperativo di elettroni e altri fenomeni che obbediscono alle regole della meccanica quantistica, piuttosto che le familiari leggi della fisica newtoniana che governano il nostro mondo quotidiano. Questi materiali potrebbero alla fine avere un enorme impatto sulle future tecnologie energetiche, ad esempio, consentendo alle persone di trasmettere energia praticamente senza perdite su lunghe distanze e rendendo i trasporti molto più efficienti dal punto di vista energetico.

Ma un materiale quantistico può contenere una miscela confusa di elementi esotici, stati sovrapposti della materia difficili da risolvere con gli strumenti convenzionali.

"Nel mondo quantistico tutto diventa impigliato, così i confini di un oggetto iniziano a sovrapporsi ai confini di un altro, ", ha affermato il Professore SLAC Thomas Devereaux, uno dei sei ricercatori SLAC e Stanford che collaborano nel nuovo centro. "Proveremo questo groviglio usando vari strumenti e tecniche".

I sensori quantistici non sono una novità. Includono dispositivi superconduttori di interferenza quantistica, o CALAMARI, inventato mezzo secolo fa per rilevare campi magnetici estremamente piccoli, e sensori del bordo di transizione superconduttori, che incorporano SQUIDS per rilevare segnali squisitamente piccoli in astronomia, non proliferazione nucleare, analisi dei materiali e difesa della patria.

A livello di base, operano mettendo il sensore in uno stato quantico noto e permettendogli di interagire con l'oggetto di interesse. L'interazione cambia lo stato del sistema quantistico, e misurare il nuovo stato del sistema rivela informazioni sull'oggetto che non potrebbero essere ottenute con approcci convenzionali.

Qubit su un suggerimento

In una delle tecnologie in fase di sviluppo, il microscopio a scansione qubit, il sensore quantistico consisterebbe in uno o più qubit posti sulla punta di una sonda e spostati sulla superficie di un materiale. Un qubit è un'unità di base dell'informazione quantistica, come i bit della normale memoria del computer che si spostano avanti e indietro tra zero e 1. Ma un qubit esiste come sovrapposizione di entrambi gli stati zero e 1 contemporaneamente. Il qubit dello scanner potrebbe consistere in un singolo atomo di idrogeno, ad esempio, con lo spin del suo singolo elettrone che esiste simultaneamente come up, down e tutti i possibili stati intermedi.

"Puoi provare a intrecciare il sensore qubit con lo stato quantico del materiale che stai studiando in modo da poter effettivamente percepire l'entanglement degli stati quantistici all'interno del materiale, "ha detto Kathryn Moler, Vice rettore di Stanford e decano della ricerca. "Se possiamo farlo, sarà davvero bello".