Questa sorprendente resilienza in uno sfondo elettronico altrimenti vetroso è resa possibile dall’entanglement quantistico, una forma di legame quantistico che lega intimamente un buco e uno spin in un’unica quasiparticella efficace e rende più difficile per la particella disperdersi da un’impurità. Lo studio è pubblicato in Physical Review Letters .

La robustezza delle quasiparticelle

Immaginate una coppia che cammina mano nella mano attraverso la piazza del mercato in una giornata impegnativa:se volesse spostarsi da una parte all'altra, la folla di persone dovrebbe farsi da parte, disperdendo localmente le persone nell'ambiente circostante e rallentando il proprio movimento. . Se osservati dall'alto, la coppia e l'ambiente circostante si muovevano apparentemente come un'unità. Questa unità è ciò che i fisici della materia condensata chiamano quasiparticella, cioè particelle efficaci che determinano lo spettro di eccitazione a bassa energia di un solido.

In un metallo le quasiparticelle sono tipicamente costituite da un elettrone circondato da una nuvola di polarizzazione di altri elettroni, con elettrone e nuvola di polarizzazione che si muovono coerentemente. In un sistema reale, queste quasiparticelle disperdono impurità e disordine. Tornando al nostro mercato fittizio, ciò significa che i nostri due piccioncini non possono semplicemente attraversare un ostacolo, come un lampione, che si trova sulla loro strada. Dovrebbero invece girarci attorno, rallentando ancora una volta il movimento della coppia. In un metallo reale, ciò fa sì che gli elettroni si disperdano a causa delle impurità, impedendo il movimento degli elettroni e creando resistenza elettrica.

Ballare attraverso possibili ostacoli

Nello studio pubblicato, il team che comprende ricercatori della JMU riferisce che le quasiparticelle nei materiali cuprati apparentemente non rispettano questa regola di dispersione. Questi materiali hanno una struttura complessa di strati di ossido di rame e sono generalmente noti per la loro superconduttività ad alta temperatura da record quando sono drogati. Le loro quasiparticelle sono singoletti Zhang-Rice (ZRS), particelle composite intrecciate in cui un buco di ossigeno si unisce a una rotazione di posti vacanti nel rame, muovendosi attraverso il cristallo come una coppia danzante.

Gli scienziati di Würzburg hanno testato queste quasiparticelle in un ambiente cuprato estremamente disordinato in cui fino al 40% degli atomi di rame sono stati sostituiti da litio. Il disordine è quindi così immenso (il nostro "mercato" è così pieno di ostacoli) da bloccare completamente gli elettroni normali.

I fisici chiamano tale sistema un sistema di vetro non ergodico poiché le particelle ora si propagano molto più lentamente rispetto ai tipici tempi sperimentali. In altre parole, non c'è più alcun avanti e indietro per i visitatori del nostro mercato e nulla si muove più.

L'affascinante danza del buco e della rotazione delle canottiere Zhang-Rice all'interno di questa unione quantistica, nonostante tutte le probabilità, tuttavia, non è assolutamente influenzata dalle impurità che si frappongono sul loro cammino. Il loro entanglement quantico impedisce loro di disperdersi e si muovono semplicemente attraverso il sistema, come se il "mercato" fosse privo di ostacoli.

Significato della scoperta

Lo studio ha rivelato la prima apparizione di singoletti di Zhang Rice in un vetro elettronico a base di cuprato e ha mostrato l'emergente invulnerabilità delle quasiparticelle ZRS a causa dell'entanglement quantistico. Tali scoperte potrebbero avere implicazioni di vasta portata non solo per la nostra comprensione dei superconduttori cuprati, ma anche per le future tecnologie basate sulla coerenza quantistica.

In particolare, la capacità di stabilizzare gli stati quantistici rispetto alle perturbazioni esterne mediante l'entanglement quantistico potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nella realizzazione dell'informatica quantistica.