Gli elettroni possono diventare incredibilmente "pesanti" quando interagiscono intensamente con altri elettroni magnetici localizzati nei materiali solidi, un fenomeno che da decenni affascina i fisici della materia condensata. Ora, un team di ricercatori giapponesi ha fatto una scoperta rivoluzionaria: questi fermioni pesanti mostrano un entanglement quantistico governato dal tempo di Planck, l'unità temporale più fondamentale della meccanica quantistica. La ricerca, pubblicata su npj Quantum Materials, potrebbe aprire nuove strade per lo sviluppo di computer quantistici basati su materiali solidi.
Il cerio-rodio-stagno e la sua struttura particolare
Il materiale al centro dello studio è il CeRhSn (cerio-rodio-stagno), appartenente a una classe speciale di sistemi a fermioni pesanti caratterizzati da una struttura reticolare quasi-kagome. Questa particolare geometria, nota per i suoi effetti di frustrazione geometrica, crea condizioni ideali per osservare comportamenti quantistici inusuali. Gli scienziati dell'Università di Osaka, guidati dal dottor Shin-ichi Kimura, hanno concentrato la loro attenzione su questo composto proprio per le sue proprietà non convenzionali.
Le misurazioni degli spettri di riflettanza del CeRhSn hanno rivelato un comportamento non-Fermi liquido che persiste fino a temperature vicine a quella ambiente. Una caratteristica significativa, considerando che la maggior parte dei fenomeni quantistici macroscopici si manifesta solo a temperature estremamente basse, spesso prossime allo zero assoluto.
L'entanglement quantistico nel mondo macroscopico
La scoperta più sorprendente riguarda la durata di vita degli elettroni pesanti nel materiale, che si avvicina al limite di Planck. Il tempo di Planck rappresenta la scala temporale più piccola fisicamente significativa nell'universo, equivalente a circa 10-44 secondi. Quando i processi fisici raggiungono questa soglia, emergono fenomeni quantistici fondamentali che solitamente restano nascosti nel mondo macroscopico.
Il comportamento spettrale osservato dai ricercatori può essere descritto da una singola funzione matematica, una caratteristica che indica fortemente la presenza di entanglement quantistico tra gli elettroni pesanti. Come spiega il dottor Kimura: "I nostri risultati dimostrano che i fermioni pesanti in questo stato critico quantistico sono effettivamente entangled, e questo entanglement è controllato dal tempo di Planck".
Verso una nuova generazione di computer quantistici
L'entanglement quantistico rappresenta la risorsa fondamentale per il calcolo quantistico, e la capacità di controllarlo e manipolarlo in materiali solidi come il CeRhSn offre una potenziale via verso architetture computazionali quantistiche completamente nuove. A differenza dei computer quantistici attuali, che richiedono condizioni estreme di temperatura e isolamento, questa scoperta suggerisce la possibilità di sviluppare dispositivi quantistici più stabili e pratici.
La ricerca non si limita a fornire una comprensione teorica del fenomeno, ma offre anche indicazioni cruciali per la progettazione di futuri sistemi quantistici. Il limite del tempo di Planck osservato in questo studio rappresenta un parametro fondamentale da considerare nello sviluppo di tecnologie quantistiche di nuova generazione.
Implicazioni per il futuro delle tecnologie quantistiche
Questa scoperta segna un significativo passo avanti nella comprensione dei sistemi elettronici fortemente correlati, un campo che da anni cerca di spiegare fenomeni come la superconduttività non convenzionale. L'osservazione diretta dell'entanglement quantistico in un materiale solido a temperature relativamente elevate potrebbe rivoluzionare l’elaborazione dell’informazione quantistica.
Le future ricerche su questi stati entangled potrebbero sbloccare nuove possibilità per le tecnologie quantistiche, dalla comunicazione quantistica sicura ai sensori ultraprecisi. La capacità di mantenere l’entanglement quantistico in condizioni meno estreme rispetto ai sistemi attuali rappresenterebbe una svolta tecnologica di portata storica, paragonabile all’avvento dei semiconduttori per l’elettronica classica.