Gli scienziati della Nanyang Technological University di Singapore hanno condotto alcuni esperimenti sui parafermioni, ovvero elettroni raggruppati che si comportano come liquidi in uno speciale stato della materia (con temperature vicino allo zero assoluto, cioè -273°C), che potrebbero dare una grossa spinta al calcolo quantistico.

Infatti, il movimento degli elettroni, comunemente conosciuto come “elettricità”, sebbene venga considerato “ordinato”, in realtà non è affatto così. Le particelle, essendo cariche negativamente, si respingono una con l’altra, tendendo a muoversi singolarmente e in modo disordinato in direzioni diverse e non come un unico insieme coeso.

Tuttavia, quando gli elettroni agiscono in quello che è noto come “liquido elicoidale di Tomonaga-Luttinger“, ci sono meno interazioni tra le particelle e scambi di energia tra loro e il sistema. Questo, a sua volta, riduce la quantità di interferenze sistemiche e ambientali, spesso causa di errori e collasso degli stati quantistici nei sistemi quantistici. Anche il fatto che gli elettroni siano stati precedentemente raffreddati vicino allo zero assoluto è un elemento essenziale, in quanto consente ad alcuni materiali di raggiungere lo stato di superconduttore, in cui gli elettroni attraversano la superficie senza alcuna resistenza elettrica, riducendo ulteriormente i possibili elementi di interferenza ambientale.

Il sistema raffreddato allo zero assoluto (nell’esperimento, fino a 4,5 gradi Kelvin o -269°C) costringe le particelle a rallentare fino a diventare quasi immobili. I miglioramenti nel controllo degli elettroni che portano a una riduzione dei disturbi significano meno errori e una maggiore coerenza, che si traduce in una maggiore durata dei qubit veri e propri che possono memorizzare o elaborare informazioni. Infatti, alcuni sistemi quantistici, come Quantum One e Quantum Two di IBM, fanno già uso di qubit superconduttori.

In questo caso, gli scienziati hanno utilizzato un substrato di grafene di spessore atomico su cui hanno depositato cristalli di tungsteno ditelluride di spessore atomico: un materiale quasi bidimensionale noto come “isolante quantistico di spin Hall“, che isola la gravità all’interno ma presenta elettroni all’esterno. Dopo aver assemblato il substrato di grafene e ditelluride di tungsteno e averlo raffreddato verso lo zero assoluto, il team di ricerca lo ha sottoposto a un microscopio a scansione tunnel che si trovava a un solo nanometro dalla sua superficie: più piccolo di un filamento di DNA e più piccolo di qualsiasi transistor mai prodotto.

Quando sono stati messi sotto il microscopio a scansione tunnel e raffreddati allo zero assoluto, i ricercatori hanno notato che gli elettroni nel substrato di grafene/tungsteno hanno aumentato la loro repulsione, la quale era così forte che gli elettroni erano costretti a muoversi collettivamente a causa dell’interazione tra i campi di repulsione di ciascun elettrone. I ricercatori hanno registrato un parametro di Luttinger, che rappresenta la forza delle interazione tra gli elettroni, in un intervallo compreso tra 0,21 e 0,33 (quando raggiunge 1, le interazioni sono al massimo della loro debolezza).

Il professor Weber ha dichiarato:

Quando il parametro di Luttinger è inferiore a 0,5, le interazioni sono forti e gli elettroni sono costretti a muoversi collettivamente. Questo è il regno in cui si prevede l’esistenza dei parafermioni. Si tratta di un intervallo di variazione davvero notevole, poiché il parametro di Luttinger può variare solo tra 0 e 1. Il controllo del parametro di Luttinger a valori così bassi non è mai stato osservato prima in nessun liquido elicoidale di Tomonaga-Luttinger.

Il team sta ora pianificando di ridurre ulteriormente le temperature sfruttando il nuovo Ultra-Low Vibration Laboratory della NTU Singapore, costruito all’inizio di quest’anno, che consentirà di effettuare esperimenti a temperature ancora più basse, pari a 150 millikelvin (mK) – ancora più vicine allo zero assoluto.