La scoperta della natura straordinariamente intatta di un nuovo semimetallo getta le basi per una nuova classe di materiali quantistici, che potrebbero aprire la strada a tecnologie quantistiche innovative e potenti.
La ricerca sui semimetalli ha compiuto un importante passo avanti grazie alla scoperta di un materiale che potrebbe condurre allo sviluppo di tecnologie quantistiche avanzate. Un gruppo di scienziati provenienti da Austria e Stati Uniti ha provato che un semimetallo oggetto di studio potrebbe raggiungere uno stato quantico critico naturale senza alcuna influenza esterna. La ricerca, che ha ricevuto il sostegno del progetto EMP, finanziato dall’UE, è descritta in un articolo scientifico pubblicato sulla rivista «Science Advances».
Generalmente la transizione di un materiale da una fase all’altra, ad esempio quando il ghiaccio si riscalda e si scioglie, passando da solido a liquido, ha a che fare con cambiamenti di temperatura. Tuttavia, le transizioni di fase avvengono anche quando si formano stati magnetici e superconduttori. Gli scienziati che indagano le proprietà quantiche dei materiali tentano di ottenere transizioni di fase al punto di temperatura dello zero assoluto, dove si verifica la fluttuazione quantistica. Tale transizione è detta punto critico quantistico. «Avvicinarsi a questo punto è generalmente molto difficile, e non si è mai certi se il materiale riuscirà a raggiungere il vero punto critico quantistico», osserva il primo autore dello studio Wesley Fuhrman, dell’Università Johns Hopkins, in un articolo pubblicato su «EurekAlert!». «È come immaginare un bersaglio in cui il centro si fa sempre più piccolo con l’abbassarsi della temperatura.»Il materiale oggetto di studio era composto da una parte di cerio (Ce), quattro parti di rutenio (Ru) e sei parti di stagno (Sn) ed è stato prodotto presso il Politecnico di Vienna, partner del progetto EMP. Esperimenti sulla suscettibilità magnetica, sul calore specifico e sulla diffusione anelastica di neutroni hanno svelato che il semimetallo CeRu4Sn6 aveva un punto critico quantistico naturale senza alcuna influenza esterna.
«Nel nostro caso, CeRu4Sn6 sembrava trovarsi al punto critico quantistico senza alcuna complicazione: una criticità quantistica intatta, in cui la freccetta centra sempre il bersaglio», afferma Fuhrman. «Un materiale a un punto critico quantistico è particolarmente adatto alla manipolazione poiché si trova al margine di varie fasi», aggiunge il ricercatore, evidenziando l’importanza di poter manipolare gli stati quantici per lo sviluppo di tecnologie quantistiche.
Nei computer quantici, la tecnologia quantistica più nota, le informazioni sono archiviate in qubit, di cui però i ricercatori faticano a controllare gli stati quantici. Il nuovo semimetallo sembra possedere alcuni stati quantici di grande stabilità, non facilmente disturbati da forze esterne, che lo rendono un candidato promettente per la fabbricazione di computer quantici. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche, la scoperta ha dato al team ragione di sperare nella possibilità di progettare altri materiali dotati di questi stati quantici.
Si tratta di un risultato importante, dal momento che, come spiega Fuhrman nell’articolo, il funzionamento delle tecnologie quantistiche richiederà un gran numero di materiali quantici. «Un’automobile è molto più della combustione che avviene nei cilindri. Per mettere in atto la tecnologia quantistica, abbiamo bisogno di frigoriferi e sensori quantistici, oltre che dei qubit al cuore dei computer quantici.»
EMP (European Microkelvin Platform) è coordinato dall’Università di Heidelberg in Germania. Il progetto, che terminerà a giugno 2023, offre una piattaforma migliorata per la ricerca a temperature ultra basse incentrata sui materiali e sulle tecnologie quantistiche.
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