Credit: EPFL

Introduzione

Mentre conducevano esperimenti su un metallo stratificato, i ricercatori dell’EPFL hanno assistito a qualcosa di molto sorprendente: hanno osservato un comportamento inaspettato degli elettroni che potrebbe fornire nuove possibilità nel campo del calcolo quantistico.

La ricerca sarà pubblicata sulla prestigiosa rivista Science.

Un comportamento inaspettato

Nel mondo della scienza dei materiali, a volte le scoperte principali si trovano in luoghi inaspettati. Mentre lavoravano sulla resistività di un tipo di delafossite – PdCoO2 – i ricercatori del Laboratorio di Materiali Quantici dell’EPFL hanno scoperto che gli elettroni nel loro campione non si sono comportati completamente come previsto. Quando è stato applicato un campo magnetico, gli elettroni hanno mantenuto le firme della loro natura ondulatoria, che potevano essere osservate anche in condizioni di temperatura relativamente alta e apparivano in dimensioni relativamente grandi.

Questi risultati sorprendenti, ottenuti in collaborazione con diversi istituti di ricerca*, potrebbero rivelarsi utili, ad esempio nella ricerca del calcolo quantistico.

Scala atomica

Credits: EPFL

Per comprendere il significato di questa scoperta, dobbiamo immaginare di essere su una scala di atomi molto piccola. A quella scala, vediamo che i metalli – anche se normalmente li consideriamo abbastanza densi – sono in realtà costituiti da moltissimi spazi vuoti intorno agli atomi. Quando gli elettroni si muovono in questi spazi interstiziali, hanno una duplice natura, comportandosi sia come particelle che come onde.

Di solito sono ben catturati i loro movimenti in un filo metallico nella loro forma simile a particelle, a differenza di quando hanno una natura ondulatoria dal momento che questa è troppo debole e mascherata da varie altre interazioni. Solo in condizioni di laboratorio molto specifiche, in particolare a temperature molto basse, gli esperimenti di Richard Webb e dei colleghi avevano scoperto il carattere ondulatorio degli elettroni nei metalli.

Effetto quantistico gigantesco!

Il campione studiato è stato il PdCoO2, la cui struttura elettronica è quasi bidimensionale ed estremamente pura e viene utilizzato in chimica come catalizzatore. I ricercatori sono rimasti sorpresi nell’osservare un nuovo tipo di oscillazioni che mostravano lunghezze d’onda significative quando il campione era soggetto a un campo magnetico. Questa coerenza è importante quando si cerca di preservare gli stati quantistici e le condizioni in cui si è verificata non avrebbero dovuto essere possibili secondo i principi fondamentali della fisica. In questo caso, sono state rilevate a temperature fino a 60° Kelvin e a scale di lunghezza fino a 12 micron.

È gigantesco!

Questo è davvero sorprendente“, dice Philip Moll, che dirige il Laboratorio di Materiali Quantici dell’EPFL. “È la prima volta che questo effetto quantistico viene osservato in un pezzo di metallo così grande. 12 micrometri possono sembrare piccoli, ma per le dimensioni di un atomo sono giganteschi. Questa è la scala di lunghezza della vita biologica, come alghe e batteri“.

La ricerca continua

Il prossimo passo sarà quello di cercare di capire meglio come questo fenomeno sia possibile su questa scala. Ma i ricercatori stanno già immaginando un gran numero di possibilità, in particolare nel campo del calcolo quantistico. Restate sintonizzati!

*In collaborazione con:

  • Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Germania
  • Scuola di Fisica e Astronomia, Università di St. Andrews, Regno Unito
  • Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi, Germania
  • Istituto Weizmann di Scienze, Dipartimento di Fisica della Materia Condensata, Israele
  • Laboratoire des Solides Irradiés, Institut Polytechnique de Paris, Francia

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