Nella vita di tutti i giorni, le transizioni di fase di solito hanno a che fare con le variazioni di temperatura, ad esempio quando un cubetto di ghiaccio si scalda e si scioglie. Ma ci sono anche diversi tipi di transizioni di fase, dipende da altri parametri come il campo magnetico. Per comprendere le proprietà quantistiche dei materiali, le transizioni di fase sono particolarmente interessanti quando avvengono direttamente al punto zero assoluto della temperatura. Queste transizioni sono chiamate "transizioni di fase quantistica" o "punti critici quantistici".

Un tale punto critico quantistico è stato ora scoperto da un gruppo di ricerca austriaco-americano in un nuovo materiale, e in una forma insolitamente incontaminata. Le proprietà di questo materiale sono ora oggetto di ulteriori indagini. Si sospetta che il materiale possa essere un cosiddetto semimetallo Weyl-Kondo, che si ritiene abbia un grande potenziale per la tecnologia quantistica a causa di stati quantistici speciali (i cosiddetti stati topologici). Se questo risulta essere vero, sarebbe stata trovata una chiave per lo sviluppo mirato di materiali quantistici topologici. I risultati sono stati trovati in una cooperazione tra TU Wien, Università John Hopkins, il National Institute of Standards and Technology (NIST) e la Rice University ed è stato ora pubblicato sulla rivista Progressi scientifici .

Criticità quantistica:più semplice e chiara che mai

"Di solito il comportamento critico quantistico viene studiato nei metalli o negli isolanti. Ma ora abbiamo esaminato un semimetallo, " afferma la prof.ssa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. Il materiale è un composto di cerio, rutenio e stagno, con proprietà che si trovano tra quelle dei metalli e dei semiconduttori.

Generalmente, la criticità quantistica può essere creata solo in condizioni ambientali molto specifiche:una certa pressione o un campo elettromagnetico. "Sorprendentemente, però, il nostro semimetallo si è rivelato critico quantistico senza alcuna influenza esterna, "dice Wesley Fuhrman, un dottorato di ricerca studente nel team del Prof. Collin Broholm alla Johns Hopkins University, che ha dato un importante contributo al risultato con misure di scattering di neutroni. "Normalmente devi lavorare sodo per produrre le condizioni di laboratorio appropriate, ma questo semimetallo fornisce da solo la criticità quantistica."

Questo risultato sorprendente è probabilmente legato al fatto che il comportamento degli elettroni in questo materiale ha alcune caratteristiche speciali. "È un sistema di elettroni altamente correlato. Ciò significa che gli elettroni interagiscono fortemente tra loro, e che non puoi spiegare il loro comportamento guardando gli elettroni individualmente, " dice Bühler-Paschen. "Questa interazione di elettroni porta al cosiddetto effetto Kondo. Qui, uno spin quantistico nel materiale è schermato dagli elettroni che lo circondano, in modo che la rotazione non abbia più alcun effetto sul resto del materiale."'

Se ci sono solo relativamente pochi elettroni liberi, come nel caso di un semimetallo, quindi l'effetto Kondo è instabile. Questa potrebbe essere la ragione del comportamento critico quantistico del materiale:il sistema fluttua tra uno stato con e uno stato senza l'effetto Kondo, e questo ha l'effetto di una transizione di fase a temperatura zero.

Le fluttuazioni quantistiche potrebbero portare a particelle di Weyl

Il motivo principale per cui il risultato è di così centrale importanza è che si sospetta che sia strettamente connesso al fenomeno dei "fermioni di Weyl". Nei solidi, I fermioni di Weyl possono apparire sotto forma di quasiparticelle, cioè come eccitazioni collettive come le onde in uno stagno. Secondo previsioni teoriche, tali fermioni di Weyl dovrebbero esistere in questo materiale, " dice il fisico teorico Qimiao Si della Rice University. Prova sperimentale, però, è ancora da trovare. "Sospettiamo che la criticità quantistica che abbiamo osservato favorisca il verificarsi di tali fermioni di Weyl, " dice Silke Bühler-Paschen. "Le fluttuazioni critiche quantistiche potrebbero quindi avere un effetto stabilizzante sui fermioni di Weyl, in modo simile alle fluttuazioni critiche quantistiche nei superconduttori ad alta temperatura che tengono insieme le coppie di Cooper superconduttori. Questa è una domanda fondamentale che è oggetto di molte ricerche in tutto il mondo, e abbiamo scoperto un nuovo vantaggio qui".

Ci sembra che certi effetti quantistici, vale a dire le fluttuazioni critiche quantistiche, l'effetto Kondo e i fermioni di Weyl sono strettamente intrecciati nel materiale appena scoperto e, insieme, danno origine a stati esotici di Weyl-Kondo. Si tratta di stati 'topologici' di grande stabilità che, a differenza di altri stati quantistici, non può essere facilmente distrutto da disturbi esterni. Questo li rende particolarmente interessanti per i computer quantistici.

Per verificare tutto questo, devono essere eseguite ulteriori misurazioni in diverse condizioni esterne. Il team si aspetta che un'interazione simile dei vari effetti quantistici si trovi anche in altri materiali. "Ciò potrebbe portare alla definizione di un concetto di design con il quale tali materiali possono essere specificamente migliorati, su misura e utilizzati per applicazioni concrete, " dice Bühler-Paschen.