Che si tratti di magneti o superconduttori, i materiali sono noti per le loro diverse proprietà. Tuttavia, queste proprietà possono cambiare spontaneamente in condizioni estreme. I ricercatori della Technische Universität Dresden (TUD) e della Technische Universität München (TUM) hanno scoperto un tipo completamente nuovo di queste transizioni di fase. Mostrano il fenomeno dell'entanglement quantistico che coinvolge molti atomi, che in precedenza era stato osservato solo nel regno di pochi atomi. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Nature .

Nuova pelliccia per il gatto quantico

In fisica, il gatto di Schroedinger è un'allegoria di due degli effetti più impressionanti della meccanica quantistica:entanglement e sovrapposizione. I ricercatori di Dresda e Monaco di Baviera hanno ora osservato questi comportamenti su una scala molto più ampia di quella della più piccola delle particelle. Finora, è noto che i materiali che mostrano proprietà, come il magnetismo, hanno i cosiddetti domini, isole in cui le proprietà dei materiali sono omogeneamente di un tipo o di un tipo diverso (immagina che siano bianche o nere, per esempio).

Osservando il fluoruro di olmio di litio (LiHoF₄ ), i fisici hanno ora scoperto una transizione di fase completamente nuova, in cui i domini esibiscono sorprendentemente caratteristiche quantomeccaniche, con il risultato che le loro proprietà diventano entangled (essendo in bianco e nero allo stesso tempo). "Il nostro gatto quantistico ora ha una nuova pelliccia perché abbiamo scoperto una nuova transizione di fase quantistica in LiHoF₄ di cui non si sapeva in precedenza l'esistenza", afferma Matthias Vojta, Chair of Theoretical Solid State Physics al TUD.

Transizioni di fase e entanglement

Possiamo facilmente osservare le proprietà che cambiano spontaneamente di una sostanza se osserviamo l'acqua:a 100 gradi Celsius evapora in un gas, a zero gradi Celsius si congela in ghiaccio. In entrambi i casi, questi nuovi stati della materia si formano come conseguenza di una transizione di fase in cui le molecole d'acqua si riorganizzano, modificando così le caratteristiche della materia. Proprietà come il magnetismo o la superconduttività emergono come risultato degli elettroni che subiscono transizioni di fase nei cristalli. Per le transizioni di fase a temperature prossime allo zero assoluto a -273,15 gradi Celsius, entrano in gioco effetti quantomeccanici come l'entanglement e le transizioni di fase quantistiche.

"Anche se ci sono più di 30 anni di ricerche approfondite dedicate alle transizioni di fase nei materiali quantistici, in precedenza avevamo ipotizzato che il fenomeno dell'entanglement avesse un ruolo solo su scala microscopica, dove coinvolge solo pochi atomi alla volta", spiega Christian Pfleiderer, Professore di Topologia dei Sistemi Correlati al TUM.

L'entanglement quantistico è uno stato in cui le particelle quantistiche entangled esistono in uno stato di sovrapposizione condiviso che consente il verificarsi simultaneo di proprietà solitamente mutuamente esclusive (ad esempio, bianco e nero). Di norma, le leggi della meccanica quantistica si applicano solo alle particelle microscopiche. I team di ricerca di Monaco e Dresda sono ora riusciti a osservare gli effetti dell'entanglement quantistico su una scala molto più ampia, quella di migliaia di atomi. Per questo hanno scelto di lavorare con il noto composto LiHoF₄ .

I campioni sferici consentono misurazioni di precisione

A temperature molto basse, LiHoF₄ agisce come un ferromagnete in cui tutti i momenti magnetici puntano spontaneamente nella stessa direzione. Se quindi si applica un campo magnetico esattamente verticalmente alla direzione magnetica preferita, i momenti magnetici cambieranno direzione, il che è noto come fluttuazioni. Maggiore è l'intensità del campo magnetico, più forti diventano queste fluttuazioni, finché, alla fine, il ferromagnetismo scompare completamente in una transizione di fase quantistica. Questo porta all'entanglement dei momenti magnetici vicini. "Se tieni in mano un LiHoF₄ campione a un magnete molto forte, cessa improvvisamente di essere spontaneamente magnetico. Questo è noto da 25 anni", afferma Vojta.

La novità è ciò che accade quando si cambia la direzione del campo magnetico. "Abbiamo scoperto che la transizione di fase quantistica continua a verificarsi, mentre in precedenza si credeva che anche la più piccola inclinazione del campo magnetico l'avrebbe soppressa immediatamente", spiega Pfleiderer. In queste condizioni, tuttavia, non sono i singoli momenti magnetici, ma piuttosto estese aree magnetiche, i cosiddetti domini ferromagnetici, che subiscono queste transizioni di fase quantistiche. I domini costituiscono intere isole di momenti magnetici che puntano nella stessa direzione.

"Abbiamo utilizzato campioni sferici per le nostre misurazioni di precisione. Questo è ciò che ci ha permesso di studiare con precisione il comportamento in caso di piccoli cambiamenti nella direzione del campo magnetico", aggiunge Andreas Wendl, che ha condotto gli esperimenti come parte della sua tesi di dottorato.

Dalla fisica fondamentale alle applicazioni

"Abbiamo scoperto un tipo completamente nuovo di transizioni di fase quantistiche in cui l'entanglement avviene sulla scala di molte migliaia di atomi invece che solo nel microcosmo di pochi", spiega Vojta. "Se immagini i domini magnetici come un modello in bianco e nero, la nuova transizione di fase porta le aree bianche o nere a diventare infinitamente piccole, ovvero creando un modello quantistico, che si dissolve completamente". Un modello teorico di nuova concezione spiega con successo i dati ottenuti dagli esperimenti.

"Per la nostra analisi, abbiamo generalizzato i modelli microscopici esistenti e abbiamo anche tenuto conto del feedback dei grandi domini ferromagnetici sulle proprietà microscopiche", afferma Heike Eisenlohr, che ha eseguito i calcoli come parte del suo dottorato di ricerca. tesi.

La scoperta delle nuove transizioni di fase quantistiche è importante come base e quadro di riferimento generale per la ricerca dei fenomeni quantistici nei materiali, nonché per nuove applicazioni. "L'entanglement quantistico viene applicato e utilizzato in tecnologie come sensori quantistici e computer quantistici, tra le altre cose", afferma Vojta. Pfleiderer aggiunge:"Il nostro lavoro è nell'area della ricerca fondamentale, che, tuttavia, può avere un impatto diretto sullo sviluppo di applicazioni pratiche, se si utilizzano le proprietà dei materiali in modo controllato". + Esplora ulteriormente

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