Nuova scoperta sui metalli quantistici critici

I materiali quantistici sono al centro della ricerca scientifica e tecnologica. Un recente studio condotto da ricercatori della Rice University ha rivelato una nuova classe di metalli critici. Questa scoperta potrebbe aprire la strada a dispositivi elettronici molto più efficienti, in grado di rilevare piccole variazioni nel loro ambiente. Spiegazioni.

Materiali quantistici: cosa sono?

Su scala subatomica, le leggi della fisica classica che conosciamo non si applicano più. Le particelle, come gli elettroni, si comportano in modi molto più complessi e seguono le regole di meccanica quantistica. Permettono, ad esempio, agli elettroni di trovarsi in più posti contemporaneamente (sovrapposizione) o di “collegarsi” istantaneamente, indipendentemente dalla distanza che li separa (entanglement).

I materiali quantistici sfruttano queste particolari proprietà per mostrare comportamenti elettronici e magnetici non presenti nei materiali classici. Sono al centro di molte tecnologie emergenti, in particolare dell’informatica quantistica, che promette di rivoluzionare settori come la crittografia e la simulazione scientifica.

Una nuova classe di metalli quantistici critici

Nell’ambito del loro lavoro, i ricercatori della Rice University, in collaborazione con un team dell’Università Tecnica di Vienna, hanno scoperto a nuova classe di metalli cosiddetti “quantum-critici”.. Presentano proprietà affascinanti e sono molto sensibili ai cambiamenti nel loro ambiente.

La criticità quantistica, un concetto chiave in questo studio, si verifica durante “transizione di fase quantistica”.

Concretamente, proprio come l’acqua passa dallo stato solido allo stato liquido o gassoso a seconda della temperatura, anche i materiali quantistici subiscono transizioni di fase. Tuttavia, invece di essere causate da cambiamenti di temperatura, queste transizioni sono dovute a fluttuazioni quantistiche (variazioni negli stati delle particelle che persistono anche a temperature molto basse, prossime allo zero assoluto).

In queste condizioni, gli elettroni possono quindi cambiare fase, passando da un’organizzazione all’altra, cosa che provoca cambiamenti nelle proprietà dei materiali. Tuttavia, a differenza dell’acqua, questi cambiamenti sono molto più complessi, perché obbediscono alle leggi della meccanica quantistica.

Queste transizioni di fase quantistica creano quindi materiali molto speciali chiamati metalli critici quantistici che si trovano al confine tra diversi stati elettronici. Sono queste transizioni che i ricercatori sono riusciti a osservare e studiare in modo più preciso.

L’importanza della topologia e dell’effetto Hall

Uno degli aspetti più interessanti di questa scoperta riguarda un fenomeno chiamato “topologia elettronica”.

Nel contesto della fisica quantistica, la topologia è una branca della matematica che studia come gli elettroni si organizzano e interagiscono in un materiale. Questo concetto è fondamentale per comprendere perché alcuni materiali, come questi nuovi metalli critici quantistici, hanno proprietà insolite.

Un esempio lampante di questa influenza topologica è ileffetto Hall. Normalmente, quando una corrente elettrica passa attraverso un materiale e viene applicato un campo magnetico, la corrente devia dal suo percorso. In questi nuovi materiali, i ricercatori hanno scoperto che questo effetto Hall è presente fortemente influenzato dalla topologia elettronicacioè il modo in cui sono organizzati gli elettroni nel materiale.

Ciò che sorprende è che questo effetto si verifica con campi magnetici molto debolimolto più debole di quanto normalmente osservato. Ciò potrebbe essere molto utile per progettare nuovi tipi di sensori ultrasensibili.

Potenziali applicazioni nelle tecnologie future

Questa nuova classe di metalli quantistici critici apre le porte a progressi tecnologici nel campo del rilevamento e della misurazione dei segnali deboli. I sensori basati su questi materiali potrebbero essere utilizzati in una moltitudine di campi, dal monitoraggio ambientale alla medicina, dove spesso è necessaria un’estrema sensibilità per rilevare sottili anomalie.

Ad esempio, un sensore basato su queste proprietà quantistiche potrebbe essere in grado di rilevare piccoli cambiamenti nei campi elettrici o magnetici o misurare variazioni molto piccole di temperatura. Potrebbe anche portare a progressi nelle tecnologie di stoccaggio e trasferimento dell’energia ottimizzando il modo in cui l’elettricità scorre attraverso i materiali.

Sebbene siamo ancora alla fase di ricerca di base, questi scoperte gettare così le basi per future innovazioni.