La sorprendente coesistenza tra superconduttività e magnetismo sta riscrivendo la fisica quantistica. Un nuovo studio del MIT indica che gli anyons potrebbero spiegare questo fenomeno, aprendo la strada a materiali quantistici innovativi e qubit più stabili
Anyons: le particelle “impossibili” che stanno rivoluzionando la fisica quantistica.
Nell’ultimo anno, due esperimenti distinti condotti su due materiali diversi hanno rilevato lo stesso scenario sconcertante: la coesistenza di superconduttività e magnetismo. Gli scienziati avevano sempre ritenuto che questi due stati quantistici fossero mutuamente esclusivi; la presenza dell’uno dovrebbe intrinsecamente distruggere l’altro.
Ora, i fisici teorici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno una spiegazione per come possa emergere questa dualità alla Jekyll e Hyde. In un articolo pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences (1), il team espone che questa ricerca, sostenuta - in parte - dalla National Science Foundation, avvalori come in determinate condizioni, gli elettroni di un materiale magnetico possano frantumarsi in frazioni di sé stessi per formare quasiparticelle note come anyons (qualunquoni). In alcune di queste frazioni, le quasiparticelle dovrebbero scorrere insieme senza attrito, in modo simile a come gli elettroni ordinari possono accoppiarsi per fluire nei superconduttori convenzionali.
Se lo scenario ipotizzato dal team è corretto, introdurrebbe una forma completamente nuova di superconduttività - una che persiste in presenza di magnetismo e che coinvolge una supercorrente di anyons esotici invece dei comuni elettroni.
«Sono necessari molti più esperimenti prima di poter dichiarare vittoria», spiega l’autore principale dello studio, il dottor Senthil Todadri (2), William and Emma Rogers Professor of Physics al Massachusetts Institute of Technology. «Ma questa teoria è molto promettente e mostra che possono esistere nuovi modi in cui il fenomeno della superconduttività può emergere».
Inoltre, se l’idea degli anyons superconduttori potrà essere confermata e controllata in altri materiali, potrebbe offrire un nuovo modo per progettare qubit stabili - “bit” su scala atomica che interagiscono quantisticamente per elaborare informazioni ed eseguire calcoli complessi in modo molto più efficiente rispetto ai bit dei computer convenzionali.
«Queste idee teoriche, se si rivelassero corrette, potrebbero rendere questo sogno un piccolo passo più vicino alla realtà», afferma Todadri.
Il coautore dello studio è Zhengyan Darius Shi (3), dottorando in fisica al MIT.
Tutto va bene
La superconduttività e il magnetismo sono stati macroscopici che emergono dal comportamento degli elettroni. Un materiale è un magnete quando gli elettroni nella sua struttura atomica hanno approssimativamente lo stesso spin, o moto orbitale, creando una forza collettiva sotto forma di campo magnetico all’interno del materiale nel suo insieme. Un materiale è un superconduttore quando gli elettroni che lo attraversano, sotto forma di tensione, possono accoppiarsi in “coppie di Cooper”. In questo stato cooperativo, gli elettroni possono scivolare attraverso un materiale senza attrito, invece di urtare casualmente contro la sua struttura reticolare atomica.
Per decenni si è pensato che superconduttività e magnetismo non potessero coesistere; la superconduttività è uno stato delicato, e qualsiasi campo magnetico può facilmente spezzare i legami tra le coppie di Cooper. Ma all’inizio di quest’anno, due esperimenti distinti hanno dimostrato il contrario. Nel primo esperimento, il dottor Long Ju del MIT e i suoi colleghi hanno scoperto superconduttività e magnetismo nel grafene romboedrico - un materiale sintetizzato composto da quattro o cinque strati di grafene.
«È stato elettrizzante», dice Todadri, che ricorda di aver sentito Ju presentare i risultati a una conferenza. «Ha acceso l’ambiente e ha introdotto nuove domande su come ciò potesse essere possibile».
Poco dopo, un secondo team ha riportato stati doppi simili nel cristallo semiconduttore ditelluride di molibdeno - conosciuto più semplicemente come tellururo di molibdeno (Molybdenum ditelluride or molybdenum telluride - MoTe₂). È interessante notare che le condizioni in cui MoTe₂ diventa superconduttivo coincidono con le stesse condizioni in cui il materiale mostra un esotico “effetto Hall anomalo quantistico frazionario”, o FQAH — un fenomeno in cui qualsiasi elettrone che attraversa il materiale dovrebbe dividersi in frazioni di sé stesso. Queste quasiparticelle frazionarie sono note come anyons.
Gli anyons sono completamente diversi dai due principali tipi di particelle che costituiscono l’universo: bosoni e fermioni. I bosoni sono il tipo di particella estroversa, poiché preferiscono stare insieme e viaggiare in gruppo. Il fotone è l’esempio classico di un bosone. Al contrario, i fermioni preferiscono starsene per conto proprio e si respingono se sono troppo vicini. Elettroni, protoni e neutroni sono esempi di fermioni. Insieme, bosoni e fermioni rappresentano i due grandi regni di particelle che costituiscono la materia nell’universo tridimensionale.
Gli anyons, al contrario, esistono solo in uno spazio bidimensionale. Questo terzo tipo di particella fu previsto per la prima volta negli anni ’80, e il suo nome fu coniato da Frank Wilczek del MIT, che lo intese come un riferimento scherzoso all’idea che, per quanto riguarda il comportamento della particella, “tutto va bene”.
Alcuni anni dopo la prima previsione degli anyons, fisici come Robert Laughlin, PhD ’79, Wilczek e altri teorizzarono anche che, in presenza di magnetismo, le quasiparticelle dovessero essere in grado di diventare superconduttive.
Secondo il dottor Senthil Todadri «Si sapeva che di solito era necessario il magnetismo per far sì che gli anyons diventassero superconduttivi, e si cercò il magnetismo in molti materiali superconduttori. Ma superconduttività e magnetismo in genere non si manifestano insieme. Così l’idea venne scartata».
Ma con la recente scoperta che i due stati possono, in effetti, coesistere pacificamente in alcuni materiali, e in particolare in MoTe₂, Todadri si chiese: la vecchia teoria - e gli anyons superconduttori - potrebbero essere in gioco?
I professori Todadri e Shi si sono proposti di rispondere a quella domanda dal punto di vista teorico, basandosi sui loro lavori recenti. Nel loro nuovo studio, il team ha determinato le condizioni in cui gli anyons superconduttori potrebbero emergere in un materiale bidimensionale. Per farlo, hanno applicato le equazioni della teoria quantistica dei campi, che descrive come le interazioni alla scala quantistica, come il livello dei singoli anyons, possano dare origine a stati quantistici macroscopici, come la superconduttività. L’esercizio non era intuitivo, poiché è noto che gli anyons resistono ostinatamente al movimento, per non parlare del supercondurre insieme.
Il professor Senthil Todadri racconta: «Quando hai degli anyons nel sistema, ciò che accade è che ciascun anyon può provare a muoversi, ma viene frustrato dalla presenza degli altri anyons. Questa frustrazione avviene anche se gli anyons sono estremamente lontani gli uni dagli altri. Ed è un effetto puramente quantistico».
Nonostante ciò, il team ha cercato condizioni in cui gli anyons potessero liberarsi da questa frustrazione e muoversi come un unico fluido macroscopico. Gli anyons si formano quando gli elettroni si frantumano in frazioni di sé stessi in determinate condizioni in materiali bidimensionali, spessi un solo atomo, come MoTe₂. Gli scienziati avevano già osservato che MoTe₂ mostra l’FQAH, in cui gli elettroni si frazionalizzano, senza l’aiuto di un campo magnetico esterno.
Todadri e Shi presero MoTe₂ come punto di partenza per il loro lavoro teorico. Modellarono le condizioni in cui il fenomeno FQAH emergeva in MoTe₂ e poi esaminarono come gli elettroni si sarebbero frantumati e quali tipi di anyons sarebbero stati prodotti, man mano che aumentavano teoricamente il numero di elettroni nel materiale.
Osservarono che, a seconda della densità elettronica del materiale, possono formarsi due tipi di anyons: anyons con una carica pari a 1/3 o 2/3 di quella di un elettrone. Applicarono quindi le equazioni della teoria quantistica dei campi per determinare come uno dei due tipi di anyons avrebbe interagito, e scoprirono che quando gli anyons sono per lo più della varietà 1/3, essi risultano prevedibilmente frustrati e il loro movimento porta a una normale conduzione metallica. Ma quando gli anyons sono per lo più della varietà 2/3, questa particolare frazione incoraggia gli anyons, normalmente restii al movimento, a muoversi invece collettivamente per formare un superconduttore, in modo simile a come gli elettroni possono accoppiarsi e fluire nei superconduttori convenzionali.
«Questi anyons si liberano dalla loro frustrazione e possono muoversi senza attrito», afferma Todadri. «La cosa sorprendente è che questo è un meccanismo completamente diverso attraverso il quale può formarsi un superconduttore, ma in un modo che può essere descritto come coppie di Cooper in qualsiasi altro sistema».
Il loro lavoro ha rivelato che gli anyons superconduttori possono emergere a determinate densità elettroniche. Inoltre, hanno scoperto che, quando gli anyons superconduttori emergono per la prima volta, lo fanno in un modello completamente nuovo di vorticosi supercorrenti che compaiono spontaneamente in posizioni casuali all’interno del materiale. Questo comportamento è distinto da quello dei superconduttori convenzionali ed è uno stato esotico che gli sperimentatori possono cercare come modo per confermare la teoria del team. Se la loro teoria è corretta, introdurrebbe una nuova forma di superconduttività, attraverso le interazioni quantistiche degli anyons.
«Se la nostra spiegazione basata sugli anyons è ciò che sta accadendo in MoTe₂, si apre la porta allo studio di un nuovo tipo di materia quantistica che potrebbe essere chiamata “materia quantistica anyonica”», afferma Todadri. «Questo sarà un nuovo capitolo della fisica quantistica».
Riferimenti:
(1) Anyon delocalization transitions out of a disordered fractional quantum anomalous Hall insulator
(2) Senthil Todadri
Descrizione foto: I fisici del MIT propongono che, in determinate condizioni, gli elettroni di un materiale magnetico potrebbero frammentarsi in frazioni di se stessi per formare quasiparticelle note come “anyons” (qualunquoni). - Credit: IA.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Anything-goes “anyons” may be at the root of surprising quantum experiments