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Il fenomeno "esotico" recentemente scoperto apre la strada ai dispositivi quantistici

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Un fenomeno fisico esotico noto come anomalia di Kohn è stato trovato per la prima volta in un tipo di materiale inaspettato dai ricercatori del MIT.

Gli scienziati affermano che i risultati potrebbero fornire nuove informazioni su alcuni processi fondamentali che determinano le complesse interazioni elettroniche sotto il cofano di molti dei nostri dispositivi elettronici.

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A sua volta, questo potrebbe portare allo "sviluppo di materiali con nuove proprietà termiche o elettroniche [che sono] così nuove, abbiamo bisogno di tempo per pensare a cosa possono fare", afferma Brent Fultz, professore di scienza dei materiali e fisica applicata presso Caltech, che non è stato coinvolto nello studio.

Studio delle interazioni elettroniche

I processi fisici che avvengono all'interno di molti dispositivi elettronici sono determinati dalle interazioni tra elettroni e fononi - che sono, essenzialmente, un'onda di vibrazioni che passa attraverso un materiale cristallino.

Tra i processi influenzati da queste interazioni vi sono il modo in cui i materiali resistono alla corrente elettrica, nonché la temperatura alla quale alcuni materiali diventano superconduttori e i requisiti di temperatura molto bassa per i computer quantistici.

Il problema è che le interazioni elettrone-fonone sono state incredibilmente difficili da studiare in dettaglio a causa del fatto che sono molto deboli e difficili da leggere.

Nel tentativo di studiare queste interazioni con maggiore chiarezza, un team di ricercatori del MIT ha indotto un'anomalia di Kohn, che in precedenza si pensava esistesse solo nei metalli, in un materiale esotico chiamato semimetallo di Weyl topologico.

La scoperta potrebbe aiutare a far luce sulle complesse interazioni tra elettroni e fotoni, afferma il team, aiutando nella ricerca di nuovi materiali per computer avanzati.

Un matrimonio di teoria e osservazione

Lo studio, che si basa sia su previsioni teoriche che su osservazioni sperimentali, è stato pubblicato questa settimana sulla rivistaLettere di revisione fisica.

Le anomalie di Kohn furono scoperte per la prima volta negli anni '50 dal fisico Walter Kohn. Riflettono un cambiamento improvviso, a volte indicato come oscillazione o nodo, nel grafico che descrive un parametro fisico chiamato funzione di risposta elettronica.

Questa improvvisa discontinuità riflette un cambiamento nella capacità degli elettroni di schermare i fononi. Ciò può causare instabilità nella propagazione degli elettroni attraverso il materiale e può portare a una serie di nuove proprietà elettroniche.

Per misurare queste precise interazioni, il team ha utilizzato sonde avanzate di diffusione di neutroni e raggi X presso tre laboratori nazionali - Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory e National Institute of Standards and Technology - per esaminare il comportamento del materiale fosfuro di tantalio.

"Abbiamo previsto che ci fosse un'anomalia di Kohn nel materiale basata solo su pura teoria", ha spiegato il professor Mingda Li in un comunicato stampa. Usando i calcoli, "potremmo guidare gli esperimenti al punto in cui vogliamo cercare il fenomeno e vediamo un ottimo accordo tra la teoria e gli esperimenti".

Martin Greven, professore di fisica presso l'Università del Minnesota che non è stato coinvolto in questa ricerca, afferma che questo lavoro “ha un'ampiezza e una profondità impressionanti, che abbraccia sia la teoria sofisticata che gli esperimenti di dispersione. Apre un nuovo terreno nella fisica della materia condensata, in quanto stabilisce un nuovo tipo di anomalia di Kohn ".

Una migliore comprensione degli accoppiamenti elettrone-fonone, attraverso questa nuova osservazione dell'anomalia di Kohn, potrebbe aiutare ad aprire la strada allo sviluppo di materiali, come migliori superconduttori ad alta temperatura o computer quantistici tolleranti ai guasti, afferma il team di ricerca.

"Penso che questo potrebbe portarci a comprendere ulteriormente i processi che sarebbero alla base di alcuni di questi materiali che hanno molte promesse per il futuro", afferma Andrejevic, che insieme al ricercatore Fei Han era un co-autore principale dell'articolo.

Estendendo la nostra comprensione di questi materiali esotici, potremmo vedere progressi ancora sconosciuti in campi come l'informatica quantistica, che promette di rivoluzionare il modo in cui interagiamo con il mondo digitale.


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