Le particelle magnon che si raffreddano rapidamente si rivelano un modo sorprendentemente efficace per creare uno stato quantico sfuggente della materia, detto condensato di Bose-Einstein. La scoperta può aiutare a far progredire la ricerca sulla fisica quantistica ed è un passo avanti verso l'obiettivo a lungo termine del calcolo quantistico a temperatura ambiente.

Un team internazionale di scienziati ha trovato un modo semplice per innescare uno stato insolito della materia chiamato condensato di Bose-Einstein. Il nuovo metodo, recentemente descritto nella rivista Nanotecnologia della natura , si prevede che contribuirà a far progredire la ricerca e lo sviluppo dell'informatica quantistica a temperatura ambiente.

Il gruppo, guidato da fisici della Technische Universität Kaiserslautern (TUK) in Germania e dell'Università di Vienna in Austria, generato il condensato di Bose-Einstein (BEC) attraverso un improvviso cambiamento di temperatura:prima riscaldando lentamente le quasi-particelle, poi raffreddandoli rapidamente a temperatura ambiente. Hanno dimostrato il metodo usando quasi-particelle chiamate magnon, che rappresentano i quanti di eccitazioni magnetiche di un corpo solido.

"Molti ricercatori studiano diversi tipi di condensati di Bose-Einstein, " ha affermato il professor Burkard Hillebrands di TUK, uno dei principali ricercatori nel campo del BEC. "Il nuovo approccio che abbiamo sviluppato dovrebbe funzionare per tutti i sistemi".

Sconcertante e spontaneo

condensati di Bose-Einstein, prende il nome da Albert Einstein e Satyendra Nath Bose che per primi ne proposero l'esistenza, sono un tipo sconcertante di materia. Sono particelle che spontaneamente si comportano tutte allo stesso modo a livello quantistico, diventando sostanzialmente un'unica entità. Originariamente utilizzato per descrivere le particelle di gas ideali, I condensati di Bose-Einstein sono stati stabiliti con atomi, così come con quasi-particelle come bosoni, fononi e magnoni.

Creare condensati di Bose-Einstein è un affare complicato perché, per definizione, devono avvenire spontaneamente. Creare le giuste condizioni per generare i condensati significa non cercare di introdurre alcun tipo di ordine o coerenza per incoraggiare le particelle a comportarsi allo stesso modo; le particelle devono farlo da sole.

Attualmente, I condensati di Bose-Einstein si formano diminuendo la temperatura vicino allo zero assoluto, oppure iniettando un gran numero di particelle a temperatura ambiente in un piccolo spazio. Però, il metodo della temperatura ambiente, che è stato segnalato per la prima volta da Hillebrands e collaboratori nel 2005, è tecnicamente complesso e solo pochi gruppi di ricerca in tutto il mondo dispongono delle attrezzature e del know-how necessari.

Il nuovo metodo è molto più semplice. Richiede una fonte di calore, e una minuscola nanostruttura magnetica, misura cento volte più piccola dello spessore di un capello umano.

"I nostri recenti progressi nella miniaturizzazione delle strutture magnoniche su scala nanoscopica ci hanno permesso di affrontare il BEC da una prospettiva completamente diversa, ", ha affermato il professor Andrii Chumak dell'Università di Vienna.

La nanostruttura viene riscaldata lentamente a 200°C per generare fononi, che a loro volta generano magnon della stessa temperatura. La fonte di riscaldamento è spenta, e la nanostruttura si raffredda rapidamente a temperatura ambiente in circa un nanosecondo. Quando questo accade, i fononi sfuggono al substrato, ma i magnon sono troppo lenti per reagire, e rimanere all'interno della nanostruttura magnetica.

Michael Schneider, autore principale della carta e un dottorato di ricerca. studente nel gruppo di ricerca sul magnetismo di TUK, ha spiegato perché questo accade:"Quando i fononi scappano, i magnon vogliono ridurre l'energia per rimanere in equilibrio. Poiché non possono diminuire il numero di particelle, devono diminuire l'energia in qualche altro modo. Così, saltano tutti allo stesso livello di bassa energia."

Occupando spontaneamente tutti lo stesso livello di energia, i magnon formano un condensato di Bose-Einstein.

"Non abbiamo mai introdotto la coerenza nel sistema, "Cumak ha detto, "quindi questo è un modo molto puro e chiaro per creare condensati di Bose-Einstein".

Risultato inaspettato

Come spesso accade nella scienza, la squadra ha fatto la scoperta quasi per caso. Avevano deciso di studiare un aspetto diverso dei nanocircuiti quando cominciarono a succedere cose strane.

"All'inizio pensavamo che ci fosse qualcosa di veramente sbagliato nel nostro esperimento o nell'analisi dei dati, " ha detto Schneider.

Dopo aver discusso del progetto con i collaboratori di TUK e negli Stati Uniti, hanno modificato alcuni parametri sperimentali per vedere se la cosa strana fosse in realtà un condensato di Bose-Einstein. Hanno verificato la sua presenza con tecniche di spettroscopia.

La scoperta interesserà principalmente altri fisici che studiano questo stato della materia. "Ma rivelare informazioni sui magnon e sul loro comportamento in una forma di stato quantistico macroscopico a temperatura ambiente potrebbe avere un impatto sulla ricerca di sviluppare computer che utilizzino i magnon come supporti di dati, " ha detto Hillebrands.