Immaginate di prendere due materiali con proprietà così singolari da essere considerati “impossibili” secondo la nostra attuale comprensione della fisica quantistica e di fonderli insieme per creare qualcosa di completamente nuovo. Ebbene, è esattamente ciò che un team internazionale di scienziati, guidato da ricercatori della Rutgers University-New Brunswick, è riuscito a fare. Questa impresa, descritta sulla copertina della prestigiosa rivista Nano Letters, apre prospettive inedite nel campo della scienza dei materiali e promette di rivoluzionare le tecnologie quantistiche del futuro.
Per realizzare questo “sandwich” quantistico senza precedenti, i ricercatori hanno combinato due composti dalle caratteristiche straordinarie: il titanato di disprosio, noto anche come spin ice, e l’iridato di pirocloro, un nuovo semimetallo magnetico.
Il titanato di disprosio è un composto inorganico utilizzato nei reattori nucleari per intrappolare materiali radioattivi e contiene particelle magnetiche elusive chiamate monopoli magnetici. Questi monopoli sono particelle che si comportano come magneti con un solo polo (nord o sud), la cui esistenza in forma libera non è stata ancora osservata nell’universo. Sorprendentemente, all’interno dello spin ice, emergono come risultato delle interazioni quantomeccaniche nel materiale. La disposizione dei minuscoli magneti all’interno dello spin ice ricorda la struttura del ghiaccio d’acqua.
Dall’altro lato del “sandwich” troviamo l’iridato di pirocloro, un materiale esotico che contiene minuscole particelle relativistiche chiamate fermioni di Weyl. Previsti teoricamente negli anni ’20 del secolo scorso e scoperti solo nel 2015 nei cristalli, questi fermioni si muovono come la luce e possono avere uno spin orientato in due modi diversi (destrorso o sinistrorso). Le loro proprietà elettroniche sono notevoli, resistendo a disturbi e impurità, il che li rende molto stabili per l’utilizzo in dispositivi elettronici. L’iridato di pirocloro è un ottimo conduttore di elettricità, reagisce in modo insolito ai campi magnetici e mostra effetti speciali quando esposto a campi elettromagnetici.
La creazione di questa struttura ibrida non è stata semplice. Il team guidato dal professor Jak Chakhalian ha impiegato quattro anni di sperimentazione continua, culminando nello sviluppo di un metodo innovativo per progettare e costruire questo minuscolo “sandwich” composto da strati atomici distinti. La sfida tecnica era così elevata che i ricercatori hanno dovuto costruire un nuovo strumento appositamente progettato, chiamato Q-DiP (quantum phenomena discovery platform). Completato nel 2023, questo strumento unico negli Stati Uniti combina un riscaldatore laser a infrarossi con un altro laser, permettendo la costruzione di materiali a livello atomico, strato dopo strato. Questa combinazione consente agli scienziati di esplorare le proprietà quantistiche più intricate dei materiali a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto. Il nuovo metodo di sintesi si basa su un regime di supersaturazione ultraelevata durante la deposizione, coadiuvato da gradienti termici direzionali guidati da laser IR, trasformando reti covalenti amorfe in interfacce quasi perfettamente ordinate e atomisticamente nitide, con una disposizione chimicamente ideale degli ioni.
L’importanza di questa ricerca risiede nella creazione di un’interfaccia a livello atomico tra questi due materiali unici. L’interazione tra i monopoli magnetici dello spin ice e i fermioni di Weyl dell’iridato di pirocloro apre un nuovo campo di esplorazione scientifica. Questa combinazione di proprietà potrebbe portare alla scoperta di fenomeni interfaciali inediti e alla progettazione di materiali quantistici artificiali completamente nuovi con potenzialità finora inimmaginabili.
Le possibili applicazioni di questo nuovo materiale sono entusiasmanti, in particolare nel campo del quantum computing e dei sensori quantistici di nuova generazione. Il quantum computing sfrutta i principi della meccanica quantistica per elaborare informazioni, utilizzando bit quantistici o qubit che possono esistere in più stati contemporaneamente grazie al principio di sovrapposizione. Le specifiche proprietà elettroniche e magnetiche del materiale sviluppato dai ricercatori potrebbero essere fondamentali per creare stati quantistici molto insoliti ma stabili, essenziali per il funzionamento dei computer quantistici. Quando la tecnologia quantistica diventerà pratica, potrebbe rivoluzionare settori come la scoperta di farmaci, la ricerca medica, la finanza, la logistica, la produzione e l’intelligenza artificiale.
Secondo il professor Chakhalian, questo studio rappresenta un “grande passo avanti nella sintesi dei materiali e potrebbe avere un impatto significativo sul modo in cui creiamo sensori quantistici e facciamo progredire i dispositivi spintronici”. I ricercatori che hanno contribuito in modo significativo a questa ricerca includono Mikhail Kareev, Michael Terilli, Tsung-Chi Wu, Dorothy Doughty e Fangdi Wen.
In conclusione, la creazione di questa interfaccia tra due materiali “impossibili” non è solo una dimostrazione di straordinaria abilità scientifica e ingegneristica, ma anche un’apertura verso un futuro in cui le leggi della fisica quantistica potranno essere sfruttate per sviluppare tecnologie rivoluzionarie. Questo “sandwich” quantistico rappresenta una nuova frontiera nella scienza dei materiali, con il potenziale di svelare fenomeni fondamentali e di plasmare il futuro della tecnologia quantistica.
Stefano Camilloni
