I "fermioni pesanti" sono un modo teorico interessante per produrre fenomeni di entanglement quantistico, ma fino a tempi recenti sono stati osservati principalmente in composti pericolosamente radioattivi. Un nuovo giornale in Lettere di revisione fisica ha dimostrato che è possibile produrre fermioni pesanti nel grafene leggermente modificato, che è molto più economico e sicuro.

I composti delle terre rare hanno affascinato i ricercatori per decenni a causa delle proprietà quantistiche uniche che mostrano, che finora sono rimasti totalmente fuori dalla portata dei composti quotidiani. Una delle proprietà più notevoli ed esotiche di questi materiali è l'emergere di stati superconduttori esotici, e in particolare gli stati superconduttori necessari per costruire futuri computer quantistici topologici. Mentre questi specifici composti delle terre rare, noti come superconduttori a fermioni pesanti, sono noti da decenni, rendere utilizzabili le tecnologie quantistiche è rimasta una sfida criticamente aperta. Questo perché questi materiali contengono composti estremamente radioattivi, come uranio e plutonio, rendendoli di uso limitato nelle tecnologie quantistiche del mondo reale.

Una nuova ricerca ha ora rivelato un percorso alternativo per progettare i fenomeni fondamentali di questi composti di terre rare esclusivamente con grafene, che non ha nessuno dei problemi di sicurezza dei tradizionali composti di terre rare. L'entusiasmante risultato del nuovo articolo mostra come uno stato quantico noto come "fermione pesante" può essere prodotto combinando tre strati di grafene attorcigliati. Un fermione pesante è una particella, in questo caso un elettrone, che si comporta come se avesse molta più massa di quella che effettivamente ha. La ragione per cui si comporta in questo modo deriva da effetti quantistici unici a molti corpi che sono stati per lo più osservati solo nei composti delle terre rare fino ad ora. Questo comportamento dei fermioni pesanti è noto per essere la forza trainante dei fenomeni necessari per utilizzare questi materiali per il calcolo quantistico topologico. Questo nuovo risultato dimostra un nuovo, modo non radioattivo per ottenere questo effetto utilizzando solo carbonio, aprendo un percorso per lo sfruttamento sostenibile della fisica dei fermioni pesanti nelle tecnologie quantistiche.

Nel documento scritto da Aline Ramires, (Istituto Paul Scherrer, Svizzera) e Jose Lado (Università Aalto), i ricercatori mostrano come sia possibile creare fermioni pesanti con costi economici, materiali non radioattivi. Per fare questo, hanno usato il grafene, che è uno strato di carbonio spesso un atomo. Nonostante sia chimicamente identico al materiale utilizzato nelle normali matite, lo spessore sub-nanometrico del grafene significa che ha proprietà elettriche inaspettatamente uniche. Stratificando i sottili fogli di carbonio uno sopra l'altro secondo uno schema specifico, dove ogni foglio viene ruotato rispetto all'altro, i ricercatori possono creare l'effetto delle proprietà quantistiche che fa sì che gli elettroni nel grafene si comportino come fermioni pesanti.

"Fino ad ora, le applicazioni pratiche dei superconduttori fermioni pesanti per il calcolo quantistico topologico non sono state perseguite molto, in parte perché richiedeva composti contenenti uranio e plutonio, tutt'altro che ideali per le applicazioni a causa della loro natura radioattiva, " dice il professor Lado. "In questo lavoro mostriamo che si può mirare a realizzare esattamente la stessa fisica solo con il grafene. Mentre in questo lavoro mostriamo solo l'emergere del comportamento dei fermioni pesanti, affrontare l'emergere della superconduttività topologica è un passo successivo naturale, che potrebbe potenzialmente avere un impatto rivoluzionario per il calcolo quantistico topologico".

La superconduttività topologica è un argomento di interesse critico per le tecnologie quantistiche, affrontato anche da strategie alternative in altri documenti del Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Aalto, compreso un precedente articolo del professor Lado. "Questi risultati forniscono potenzialmente una piattaforma basata sul carbonio per lo sfruttamento dei fenomeni di fermioni pesanti nelle tecnologie quantistiche, senza richiedere elementi delle terre rare, " conclude il professor Lado.