Man mano che i fisici approfondiscono il regno quantistico, stanno scoprendo un mondo infinitamente piccolo composto da una strana e sorprendente serie di collegamenti, nodi e avvolgimenti. Alcuni materiali quantistici esibiscono vortici magnetici chiamati skyrmion, configurazioni uniche descritte come "uragani subatomici". Altri ospitano una forma di superconduttività che si contorce in vortici.

Ora, in un articolo pubblicato su Natura un team di fisici guidato da Princeton ha scoperto che gli elettroni nella materia quantistica possono collegarsi tra loro in modi nuovi e strani. Il lavoro riunisce idee in tre aree della scienza - fisica della materia condensata, topologia e teoria dei nodi - in un modo nuovo, sollevando domande inaspettate sulle proprietà quantistiche dei sistemi elettronici.

La topologia è la branca della matematica teorica che studia le proprietà geometriche che possono essere deformate ma non modificate intrinsecamente. Gli stati quantistici topologici sono stati all'attenzione del pubblico per la prima volta nel 2016, quando tre scienziati, tra cui Duncan Haldane, che è Thomas D. Jones Professor of Mathematical Physics di Princeton e Sherman Fairchild University Professor of Physics, hanno ricevuto il Premio Nobel per la loro previsione teorica della topologia in materiale elettronico.

Da quel momento, i ricercatori hanno cercato di espandere quest'area di ricerca per creare una comprensione più profonda della meccanica quantistica, come nel campo della "topologia quantistica", che cerca di spiegare lo stato di un elettrone come descritto da una proprietà chiamata funzione d'onda. Questo è stato il catalizzatore che ha portato alla ricerca attuale, ha affermato M. Zahid Hasan, Eugene Higgins Professor of Physics all'Università di Princeton e autore senior dello studio.

"Stiamo studiando le proprietà relative alla forma delle funzioni d'onda degli elettroni", ha affermato Hasan. "E ora siamo scesi in campo verso una nuova frontiera".

L'elemento costitutivo essenziale di questa nuova frontiera è una struttura quantomeccanica nota come anello di Weyl, che prevede l'avvolgimento di funzioni d'onda di elettroni senza massa in un cristallo. In un precedente lavoro rivoluzionario, pubblicato su Scienza nel 2019 sono stati scoperti gli anelli di Weyl senza massa in un composto composto da cobalto, manganese e gallio, con formula chimica Co₂ MnGa. Questa ricerca è stata guidata da Hasan e ha incluso molti degli autori del nuovo studio. A quel tempo, hanno capito che i loop Weyl senza massa producono comportamenti esotici sotto campi elettrici e magnetici applicati. Questi comportamenti persistevano fino a temperatura ambiente.

Di per sé, un anello di Weyl è un esempio del tipo di avvolgimento della funzione d'onda quantistica che è già ben noto. "I precedenti esempi di topologia in fisica spesso riguardavano l'avvolgimento di funzioni d'onda della meccanica quantistica", ha affermato Hasan, che ha guidato la ricerca attuale. "Questi sono stati al centro della comunità dei fisici almeno negli ultimi dieci anni". Queste idee derivano dai primi lavori del team sui cristalli di rodio e silicio (RhSi), nonché sui materiali chiamati magneti Chern realizzati con gli elementi terbio, magnesio e stagno (TbMn₆ Sn₆ ). Entrambe queste scoperte sono state guidate dal gruppo del professor Hasan e riportate in Natura nel 2019 e poi in Natura nel 2020.

Tuttavia, il caso di Co₂ MnGa si è rivelato diverso dall'avvolgimento della funzione d'onda considerato nelle teorie topologiche convenzionali. "Qui invece abbiamo collegato i loop:la nostra topologia annodata recentemente scoperta è di natura diversa e dà origine a diversi numeri di collegamento matematico", ha affermato Tyler Cochran, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica di Princeton e coautore del nuovo studio.

Il Co₂ I materiali MnGa sono stati coltivati ​​dalla professoressa Claudia Felser e dal suo team presso il Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Germania.

Un'intuizione essenziale è arrivata quando il team di Princeton ha calcolato e capito che alcuni materiali quantistici come Co₂ MnGa potrebbe ospitare più loop Weyl contemporaneamente. "Quando più anelli Weyl coesistono, diventa naturale chiedersi se possono collegarsi e annodarsi in determinati modi", ha affermato Hasan.

Questa realizzazione da parte del team di Hasan ha suscitato domande fondamentali sui loop Weyl collegati e ha riunito un team di esperti da tutto il mondo in spettroscopia di fotoemissione, topologia matematica, sintesi di materiale quantistico e calcoli quantistici di primi principi per comprendere più a fondo la topologia dei collegamenti e l'annodatura nella materia quantistica .

Per osservare il collegamento sperimentalmente, il team internazionale ha collaborato per più di cinque anni per espandere i loro primi lavori sui magneti topologici. Il team ha eseguito esperimenti avanzati di spettroscopia di fotoemissione presso strutture all'avanguardia per la radiazione di sincrotrone negli Stati Uniti, in Svizzera, in Giappone e in Svezia.

"Si è rivelato un puzzle affascinante che ci ha tenuti agganciati per un po'", ha detto Ilya Belopolski, autrice principale dello studio, ex studentessa laureata nel laboratorio di Hasan all'Università di Princeton e ora ricercatrice post-dottorato presso il RIKEN Center for Emergent Matter Scienza vicino a Tokyo, Giappone. "Scoprire le complessità di questa elaborata struttura quantistica collegata stessa ha richiesto più di tre anni di misurazioni ad alta precisione e altissima risoluzione presso le principali strutture spettroscopiche del mondo".

L'analisi dei dati sperimentali ha rivelato un oggetto controintuitivo ripiegato su se stesso e avvolto in un toro di dimensioni superiori. "La comprensione della struttura dell'oggetto richiedeva un nuovo ponte tra la meccanica quantistica, la topologia matematica e la teoria dei nodi", ha affermato Guoqing Chang, autore dello studio che ora è assistente professore di fisica alla Nanyang Technological University di Singapore. Mentre era un ex ricercatore post-dottorato che lavorava con Hasan a Princeton, Chang ha condotto uno dei primi studi teorici sulla topologia dei collegamenti nel 2017 in un lavoro pionieristico in Physical Review Letters .

In effetti, il team di ricerca ha scoperto che la teoria quantistica dei materiali esistente non era in grado di spiegare adeguatamente l'emergere di questa struttura. Ma la teoria dei nodi, hanno riconosciuto, potrebbe contenere alcuni indizi.

"Ci siamo resi conto che alcuni aspetti della teoria dei nodi sono molto potenti nello spiegare le proprietà quantistiche dei materiali topologici che non erano state comprese prima", ha detto Hasan. "Questo è il primo esempio che conosciamo di dove la teoria dei nodi è stata applicata per comprendere il comportamento dei magneti topologici. E questo è molto eccitante."

I risultati continuano ed estendono la conversazione decennale tra fisica e topologia, questa volta introducendo nuove idee matematiche per spiegare gli esperimenti sui ferromagneti quantistici. "Storicamente, alcune delle scoperte scientifiche più importanti sono nate quando gli esseri umani hanno notato nuove connessioni tra matematica e fenomeni naturali. È sempre emozionante trovare esempi inaspettati di matematica sottile nei nostri esperimenti", ha detto Hasan. "Ancora di più, è stato interessante che la connessione matematica fosse nel campo della topologia, che ha continuato a emergere più e più volte in forme diverse nello studio dei materiali quantistici."

I ricercatori intendono espandere la loro ricerca in più direzioni. Sebbene Hasan e il suo team abbiano concentrato i loro sforzi sul comportamento dei magneti topologici, sostengono che la teoria ha il potenziale per aiutare a spiegare altri comportamenti quantistici. "Riteniamo che la teoria dei nodi possa essere applicata anche a molti altri conduttori topologici, superconduttori, qubit e molte altre cose", ha affermato.

E sebbene i ricercatori non stessero pensando ad applicazioni pratiche - "Siamo stati coinvolti nella ricerca fondamentale", ha sottolineato Hasan - le loro intuizioni potrebbero aiutare nello sviluppo del calcolo quantistico, in particolare nello sviluppo di nuovi tipi di qubit topologici. + Esplora ulteriormente

Progressi e prospettive nei materiali topologici magnetici