Un'illustrazione schematica di un circuito su scala nanometrica. Un punto quantico (la parte gialla) è collegato a due elettrodi di piombo (le parti blu). Gli elettroni che entrano nel punto quantico dagli elettrodi interagiscono tra loro per formare uno stato quantico altamente correlato, detto “liquido di Fermi”. Sia la corrente elettrica non lineare che passa attraverso il punto quantico che le sue fluttuazioni che appaiono come rumore trasportano segnali importanti, che può svelare la fisica sottostante del liquido quantistico. Viene chiarito che le correlazioni a tre corpi degli elettroni evolvono in modo significativo e svolgono ruoli essenziali nello stato quantistico sotto i campi esterni che rompono la simmetria particella-buco o inversione temporale. Credito:Rui Sakano
Gli scienziati dell'Università di Osaka City hanno sviluppato formule matematiche per descrivere la corrente e le fluttuazioni di elettroni fortemente correlati nei punti quantici. Le loro previsioni teoriche potrebbero presto essere testate sperimentalmente.
I fisici teorici Yoshimichi Teratani e Akira Oguri dell'Università della città di Osaka, e Rui Sakano dell'Università di Tokyo hanno sviluppato formule matematiche che descrivono un fenomeno fisico che si verifica all'interno di punti quantici e altri materiali di dimensioni nanometriche. Le formule, pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , potrebbe essere applicato a ulteriori ricerche teoriche sulla fisica dei punti quantici, gas atomici ultrafreddi, e quark.
Il problema è l'effetto Kondo. Questo effetto è stato descritto per la prima volta nel 1964 dal fisico teorico giapponese Jun Kondo in alcuni materiali magnetici, ma ora sembra accadere in molti altri sistemi, compresi punti quantici e altri materiali su scala nanometrica.
Normalmente, la resistenza elettrica diminuisce nei metalli al diminuire della temperatura. Ma nei metalli contenenti impurità magnetiche, questo accade solo fino a una temperatura critica, oltre la quale la resistenza aumenta al diminuire delle temperature.
Gli scienziati sono stati finalmente in grado di dimostrare che, a temperature molto basse vicine allo zero assoluto, gli spin degli elettroni si impigliano con le impurità magnetiche, formando una nuvola che scherma il loro magnetismo. La forma della nuvola cambia con ulteriori cali di temperatura, portando ad un aumento della resistenza. Questo stesso effetto si verifica quando altre "perturbazioni" esterne " come una tensione o un campo magnetico, vengono applicati al metallo.
Teratani, Sakano e Oguri volevano sviluppare formule matematiche per descrivere l'evoluzione di questa nuvola in punti quantici e altri materiali su scala nanometrica, che non è un compito facile.
Per descrivere un sistema quantistico così complesso, sono partiti da un sistema a zero assoluto dove un modello teorico ben consolidato, vale a dire la teoria del liquido di Fermi, per gli elettroni interagenti è applicabile. Hanno poi aggiunto una "correzione" che descrive un altro aspetto del sistema contro le perturbazioni esterne. Utilizzando questa tecnica, hanno scritto formule che descrivono la corrente elettrica e la sua fluttuazione attraverso i punti quantici.
Le loro formule indicano che gli elettroni interagiscono all'interno di questi sistemi in due modi diversi che contribuiscono all'effetto Kondo. Primo, due elettroni si scontrano tra loro,
formando quasiparticelle ben definite che si propagano all'interno della nuvola di Kondo. Più significativamente, si verifica un'interazione chiamata contributo a tre corpi. Questo è quando due elettroni si combinano in presenza di un terzo elettrone, provocando uno spostamento di energia delle quasiparticelle.
"Le previsioni delle formule potrebbero presto essere studiate sperimentalmente, " dice Oguri. "Gli studi lungo le linee di questa ricerca sono appena iniziati, " Aggiunge.
Le formule potrebbero essere estese anche per comprendere altri fenomeni quantistici, come il movimento delle particelle quantistiche attraverso punti quantici collegati a superconduttori. I punti quantici potrebbero essere una chiave per realizzare tecnologie dell'informazione quantistica, come i computer quantistici e la comunicazione quantistica.
