Un team di fisici dell'Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia di Amburgo ha individuato un comportamento quantistico completamente inaspettato nei cristalli Kagome, strutture dalla geometria particolare che prendono il nome da un tradizionale intreccio giapponese utilizzato per la tessitura di cesti in bambù. La scoperta, che apre scenari innovativi nel campo dei materiali quantistici, dimostra come la forma stessa di un cristallo possa determinare il comportamento collettivo degli elettroni al suo interno.
Nel metallo Kagome CsV₃Sb₅, gli scienziati hanno osservato un fenomeno sorprendente: gli elettroni, invece di comportarsi in modo caotico come avviene normalmente nei metalli ordinari, si sincronizzano formando quella che i ricercatori definiscono una "canzone collettiva". Questo comportamento si manifesta quando il materiale viene scolpito in minuscole colonne cristalline di pochi micrometri e sottoposto a campi magnetici. Lo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature, rivela oscillazioni della resistenza elettrica simili all'effetto Aharonov-Bohm, indicando che gli elettroni mantengono una coerenza quantistica ben oltre quanto previsto dalla fisica delle particelle singole.
L'aspetto più rivoluzionario della ricerca riguarda la dipendenza di questo stato quantistico dalla geometria del cristallo. I campioni rettangolari mostravano cambiamenti di schema ad angoli retti, mentre quelli a forma di parallelogramma presentavano variazioni a 60° e 120°, corrispondendo esattamente alla loro geometria. "È come se gli elettroni sapessero se si trovano in un rettangolo o in un parallelogramma", spiega Philip Moll, direttore responsabile dell'MPSD. "Cantano in armonia, e la melodia cambia in base alla stanza in cui si trovano".
Questo fenomeno rappresenta una rottura rispetto ai paradigmi tradizionali della fisica quantistica. La coerenza quantistica, ovvero la capacità delle particelle di muoversi in modo sincronizzato come onde sovrapposte, era finora considerata appannaggio di stati esotici come la superconduttività, dove gli elettroni si accoppiano e fluiscono in modo coerente. Nei metalli comuni, invece, le collisioni distruggono rapidamente tale coerenza. "Questo non è ciò che gli elettroni non interagenti dovrebbero essere in grado di fare", afferma Chunyu Guo, autore principale dello studio. "Indica uno stato coerente a molti corpi".
Il reticolo Kagome ha da tempo affascinato la comunità scientifica per il suo design intricato di triangoli ed esagoni intrecciati, che spesso frustra geometricamente gli elettroni e dà origine a fasi esotiche della materia. La ricerca del team tedesco estende questi effetti dal livello atomico alla scala dei dispositivi, dimostrando che la geometria influenza il comportamento quantistico collettivo degli elettroni. Proprio come un coro risuona diversamente in una cattedrale rispetto a una sala da concerto, gli elettroni in questi cristalli a forma di stella sembrano produrre un suono nuovo, influenzato non solo dalla disposizione degli atomi ma anche dalla loro forma complessiva.
Le implicazioni pratiche di questa scoperta potrebbero trasformare radicalmente l'approccio alla progettazione di materiali quantistici. Se la coerenza può essere plasmata anziché semplicemente osservata, i ricercatori potrebbero progettare materiali che si comportano come strumenti accordati, dove la struttura e non solo la composizione chimica definisce le loro proprietà. "I metalli Kagome ci stanno offrendo uno sguardo su una coerenza che è sia robusta che sensibile alla forma", sottolinea Moll. "È un nuovo principio di progettazione che non ci aspettavamo".
Attualmente il fenomeno è limitato agli ambienti di laboratorio, dove fasci ionici focalizzati modellano i cristalli in pilastri di dimensioni micrometriche. Tuttavia, secondo Guo, una volta che la coerenza può essere modellata piuttosto che semplicemente scoperta, la frontiera dei materiali quantistici potrebbe spostarsi dalla chimica all'architettura. "Apre una nuova strada per progettare funzionalità quantistiche per l'elettronica futura attraverso la rimodellazione della geometria dei materiali", conclude il ricercatore. La possibilità di controllare gli stati quantistici attraverso la scultura geometrica dei materiali rappresenta un cambio di paradigma che potrebbe portare allo sviluppo di dispositivi in cui la forma definisce letteralmente la funzione.
