Il ruolo dell’entanglement nella criticità quantistica

Il ruolo dell’entanglement

In un nuovo studio, i fisici statunitensi e austriaci hanno osservato l’entanglement quantistico tra “miliardi di miliardi” di elettroni che scorrono in un materiale quantistico critico. La ricerca, che appare sulla rivista Science, ha esaminato il comportamento elettronico e magnetico di un campione di uno “strano metallo” di itterbio, rodio e silicio mentre si avvicinava e attraversava una transizione critica al confine tra due fasi quantistiche ben studiate.

Lo studio presso la Rice University e la Vienna University of Technology (TU Wien) fornisce la prova più forte e diretta fino ad oggi del ruolo dell’entanglement nel determinare la criticità quantistica, ha detto il co-autore dello studio Qimiao Si della Rice.

“Quando pensiamo all’entanglement quantistico, pensiamo alle piccole cose“, ha detto Qimiao Si. “Non lo associamo ad oggetti macroscopici. Ma a un punto critico quantistico, le cose sono così comuni che abbiamo questa possibilità di vedere gli effetti dell’entanglement, anche in un film metallico che contiene miliardi di miliardi di oggetti quantistici“.

Qimiao Si, fisico teorico e direttore del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), ha trascorso più di due decenni a studiare cosa succede quando materiali come metalli e superconduttori ad alta temperatura cambiano fasi quantistiche. Una migliore comprensione di tali materiali potrebbe aprire la porta a nuove tecnologie nel campo dell’informatica, delle comunicazioni e altro ancora.

Una nuova tecnica

Il team internazionale ha superato diverse sfide per ottenere questo risultato. I ricercatori di TU Wien hanno sviluppato una tecnica di sintesi di materiali estremamente complessa per produrre film ultrapuri contenenti una parte di itterbio per ogni due parti di rodio e silicio (YbRh2Si2). Alla temperatura dello zero assoluto, il materiale subisce una transizione da una fase quantistica che forma un ordine magnetico verso un altro che non lo fa.

Alla Rice University, lo studioso co-autoredella ricerca, Xinwei Li, allora studente laureato nel laboratorio del co-autore e membro della RCQM Junichiro Kono, ha condotto esperimenti di spettroscopia terahertz sui film a temperature fino a 1,4 Kelvin. Le misurazioni a terahertz hanno rivelato la conduttività ottica dei film YbRh2Si2 mentre venivano raffreddati in un punto critico quantistico che segnava il passaggio da una fase quantistica a un’altra

“Con strani metalli, esiste una connessione insolita tra resistenza elettrica e temperatura“, ha detto l’autore corrispondente Silke Bühler-Paschen dell’Istituto per la fisica dello stato solido della TU Wien. “Contrariamente ai metalli semplici come il rame o l’oro, questo non sembra essere dovuto al movimento termico degli atomi, ma alle fluttuazioni quantistiche alla temperatura dello zero assoluto“.

Per misurare la conduttività ottica, Li ha brillato radiazioni elettromagnetiche coerenti nella gamma di frequenze terahertz sopra i film e ha analizzato la quantità di raggi terahertz che sono passati in funzione della frequenza e della temperatura. Gli esperimenti hanno rivelato “il ridimensionamento della frequenza rispetto alla temperatura“, un segnale rivelatore di criticità quantistica, hanno detto gli autori.

Kono, ingegnere e fisico della Brown School of Engineering di Rice, ha affermato che le misurazioni sono state minuziose per Li – ora ricercatore post dottorato presso il California Institute of Technology. Ad esempio, solo una frazione della radiazione terahertz che brillava sul campione passava attraverso il rivelatore e la misura importante era quanto quella frazione saliva o scendeva a temperature diverse.

“Meno dello 0,1% della radiazione totale di terahertz è stata trasmessa e il segnale, che era la variazione della conduttività in funzione della frequenza, era una ulteriore piccola percentuale“, ha affermato Kono. “Ci sono volute molte ore per portare dati affidabili a ciascuna temperatura in media su molte, molte misurazioni, ed è stato necessario acquisire dati a molte, molte temperature per dimostrare l’esistenza del ridimensionamento. Xinwei è stato molto, molto paziente e persistente“, ha continuato Kono. “Inoltre, ha elaborato con cura le enormi quantità di dati raccolti per spiegare la legge sul ridimensionamento, il che è stato davvero affascinante per me“.

Realizzare i film è stato ancora più impegnativo. Per farli crescere abbastanza sottili da far passare i raggi terahertz, il team TU Wien ha sviluppato un esclusivo sistema di epitassia a fascio molecolare e un’elaborata procedura di crescita. L’itterbio, il rodio e il silicio sono stati contemporaneamente evaporati da fonti separate nell’esatto rapporto 1-2-2. A causa dell’alta energia necessaria per evaporare rodio e silicio, il sistema richiedeva una camera di vuoto ultraelevata su misura con due evaporatori a fascio di elettroni.

“Il nostro jolly stava trovando il substrato perfetto: il germanio“, ha dichiarato Lukas Prochaska, studentessa universitaria della TU Wien, co-responsabile dello studio. Il germanio era trasparente al terahertz e aveva “determinate distanze atomiche (che erano) praticamente identiche a quelle tra gli atomi di itterbio in YbRh2Si2, il che spiega l’eccellente qualità dei film“, ha detto.

Il ruolo dell’entanglement

Qimiao Si ha ricordato di aver discusso dell’esperimento con Bühler-Paschen più di 15 anni fa quando stavano esplorando i mezzi per testare una nuova classe di punti critici quantistici. Il segno distintivo del punto critico quantistico che stavano avanzando con i colleghi è che l’entanglement quantistico tra spin e cariche è fondamentale.

“In un punto critico quantistico magnetico, la conoscenza convenzionale impone che solo il settore degli spin sarà critico“, ha detto. “Ma se i settori di carica e rotazione sono intrecciati a livello quantistico, anche il settore di carica finirà per essere critico“

All’epoca la tecnologia non era disponibile per testare l’ipotesi, ma nel 2016 la situazione era cambiata. TU Wien potrebbe far crescere i film, Rice ha recentemente installato un potente microscopio in grado di scansionarli per individuare eventuali difetti e Kono aveva lo spettrometro terahertz per misurare la conducibilità ottica. 

Durante la visita sabbatica di Bühler-Paschen alla Rice quell’anno, lei, Si, Kono e Rice, esperta di microscopia Emilie Ringe, ricevettero il sostegno per perseguire il progetto attraverso un premio interdisciplinare di eccellenza dal nuovo programma Creative Ventures di Rice.

“Concettualmente, è stato davvero un esperimento da sogno“, ha detto Si. “Esplora il settore di carica nel punto critico quantistico magnetico per vedere se è critico, se ha un ridimensionamento dinamico. Se non vedi nulla di comune, di ridimensionamento, il punto critico deve appartenere a un tipo di descrizione da manuale. Ma, se vedi qualcosa di singolare, che in realtà abbiamo fatto, allora è una prova molto diretta e nuova del ruolo dell’entanglement quantistico nel determinare la criticità quantistica”.

Qimiao Si ha detto che tutti gli sforzi che sono stati condotti nello studio ne sono valsi la pena, perché i risultati hanno implicazioni di vasta portata. “L’entanglement quantistico è la base per l’archiviazione e l’elaborazione delle informazioni quantistiche“, ha detto Si. “Allo stesso tempo, si ritiene che la criticità quantistica determini la superconduttività ad alta temperatura. Quindi i nostri risultati suggeriscono che la stessa fisica sottostante – la criticità quantistica – può portare a una piattaforma per entrambe le informazioni quantistiche e la superconduttività ad alta temperatura. Quando si contempla questa possibilità, non si può fare a meno di stupirsi della meraviglia della natura.”