I materiali quantistici hanno suscitato un notevole interesse per le applicazioni informatiche negli ultimi decenni, ma le proprietà quantistiche non banali, come la superconduttività o lo spin magnetico, rimangono allo stato fragile.
"Quando si progettano materiali quantistici, il gioco è sempre una lotta contro il disordine", ha affermato Robert Hovden, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Michigan.
Il calore è la forma più comune di disordine che altera le proprietà quantistiche. I materiali quantistici spesso mostrano fenomeni esotici solo a temperature molto basse, quando l’atomo quasi smette di vibrare, consentendo agli elettroni circostanti di interagire tra loro e riorganizzarsi in modi inaspettati. Questo è il motivo per cui i computer quantistici vengono attualmente sviluppati in bagni di elio liquido a -269 °C, o intorno a -450 F. Si tratta di pochi gradi sopra lo zero Kelvin (-273,15 °C).
I materiali possono anche perdere proprietà quantistiche quando vengono esfoliati dal 3D fino a un singolo strato di atomi 2D, una sottigliezza di particolare interesse per lo sviluppo di dispositivi su scala nanometrica.
Ora, un gruppo di ricerca guidato dall’Università del Michigan ha sviluppato un nuovo modo per indurre e stabilizzare un fenomeno quantistico esotico chiamato onda di densità di carica a temperatura ambiente. Hanno essenzialmente identificato una nuova classe di materiali 2D. I risultati sono pubblicati su Nature Communications .
"Questa è la prima osservazione di un'onda di densità di carica ordinata e in due dimensioni. Siamo rimasti scioccati dal fatto che non solo ha un'onda di densità di carica in due dimensioni, ma l'onda di densità di carica è notevolmente migliorata", ha affermato Hovden.
Invece del tipico approccio di esfoliazione e distacco dei singoli strati atomici per creare un materiale 2D, i ricercatori hanno sviluppato il materiale 2D all’interno di un’altra matrice. Hanno soprannominato la nuova classe di materiali "endotassiale" dalle radici greche "endo", che significa all'interno, e "taxis", che significa in modo ordinato.
I ricercatori hanno lavorato con un cristallo metallico, il disolfuro di tantalio (TaS2), che, come ogni cristallo, ha atomi ordinati in uno schema simile a palline da ping pong ordinatamente disposte in tutte le direzioni. Hanno osservato che man mano che il materiale cresceva, gli elettroni dello strato cristallino 2D TaS2 inserito a sandwich si raggruppavano spontaneamente insieme per formare il proprio cristallo, noto come cristallo di carica o onda di densità di carica, uno schema ripetuto nella distribuzione degli elettroni in un materiale solido.
Man mano che gli elettroni si aggregano e cristallizzano, il loro movimento viene limitato e il metallo non conduce più bene l’elettricità. Senza modificare la chimica del materiale, la formazione di cristalli di carica ha convertito il materiale da conduttore ad isolante. Questo esotico fenomeno quantistico potrebbe rivelarsi utile come transistor nell'informatica classica o quantistica, agendo come una porta per controllare il flusso di tensione.
"Ciò apre all'idea che la sintesi endotassiale potrebbe essere un'importante strategia per stabilizzare fragili stati quantistici negli intervalli di temperatura normali in cui esistiamo", ha affermato Suk Hyun Sung, primo autore dell'articolo e dottorando dell'Università del Michigan e attuale postdoc presso il Rowland Institute dell'Università di Harvard.
Avendo in mano un cristallo di carica stabile a temperatura ambiente, i ricercatori hanno deciso di riscaldarlo per osservare i cambiamenti.
"È ordinato a temperature inaspettatamente elevate. Non solo a temperatura ambiente, ma se lo riscaldi oltre il punto di ebollizione dell'acqua, ha ancora un'onda di densità di carica", ha affermato Hovden.
Alla fine i ricercatori hanno osservato il cristallo di carica sciogliersi mentre il materiale rimaneva solido, rimuovendo lo stato quantico.
Esperimenti come questo migliorano la nostra comprensione di base dei materiali quantistici, il che è essenziale poiché i ricercatori lavorano per sfruttare fenomeni quantistici esotici per soluzioni ingegneristiche.
"I materiali quantistici sconvolgeranno sia l'informatica classica che quella quantistica", ha affermato Hovden.
Entrambi i campi sono bloccati, dice Hovden. L’informatica classica ha esaurito ciò che il silicio può fare e l’informatica quantistica attualmente può funzionare solo a temperature estremamente basse. Hanno bisogno di materiali quantistici per andare avanti.
Per ora, questa ricerca pone le basi per la scoperta di nuovi materiali quantistici utilizzando la sintesi endotassiale e offre la promessa di stabilizzare le proprietà quantistiche a temperature più pratiche.
Ulteriori informazioni: Suk Hyun Sung et al, Stabilizzazione endotassiale delle onde di densità di carica 2D con ordine a lungo raggio, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45711-3
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal College of Engineering dell'Università del Michigan
