Nella fisica della materia condensata, uno dei fenomeni quantistici più studiati e discussi sta rivelando un volto inaspettato. L'effetto Kondo, scoperto oltre mezzo secolo fa e considerato da decenni un meccanismo che sopprime il magnetismo nei materiali quantistici, può in realtà comportarsi in modo diametralmente opposto a seconda delle caratteristiche degli spin coinvolti. Una ricerca condotta presso l'Università Metropolitana di Osaka ha dimostrato per la prima volta sperimentalmente che questa interazione quantistica fondamentale non possiede un'unica "personalità", ma cambia radicalmente comportamento in funzione della dimensione dello spin localizzato, aprendo prospettive completamente nuove per la progettazione di materiali quantistici e dispositivi per il quantum computing.
Il team guidato dal professor associato Hironori Yamaguchi della Graduate School of Science ha costruito un sistema sperimentale basato sul modello teorico della "collana di Kondo", un framework concettuale proposto nel 1977 dal fisico Sebastian Doniach ma mai realizzato in forma pura fino a tempi recenti. La difficoltà nel creare questi sistemi deriva dalla complessità intrinseca dei materiali reali, dove gli elettroni non solo possiedono spin ma si muovono attraverso la struttura cristallina, occupano orbitali diversi e introducono gradi di libertà aggiuntivi che mascherano le pure interazioni di spin al cuore dell'effetto Kondo.
Per aggirare questo ostacolo, i ricercatori giapponesi hanno progettato un materiale ibrido organico-inorganico costituito da radicali organici e ioni di nichel, utilizzando RaX-D, una piattaforma di design molecolare che consente un controllo preciso sulla struttura cristallina e sulle interazioni magnetiche. Questo approccio ha permesso di eliminare il moto elettronico e gli effetti orbitali, lasciando un sistema composto esclusivamente da spin interagenti, esattamente come previsto dal modello teorico originale.
Il passo decisivo è arrivato quando il gruppo ha confrontato due versioni del sistema: una con spin localizzati di dimensione 1/2 e un'altra con spin di dimensione 1. Nel primo caso, già studiato dal team in lavori precedenti, l'effetto Kondo genera coppie di singoletti quantistici, stati massimamente entangled con spin totale nullo che impediscono l'emergere di un ordine magnetico a lungo raggio. Nel secondo caso, invece, le misure termodinamiche hanno rivelato una chiara transizione di fase verso uno stato magneticamente ordinato.
L'analisi quantistica dettagliata ha svelato il meccanismo alla base di questa trasformazione. Per spin di dimensione maggiore, l'accoppiamento Kondo crea un'interazione magnetica effettiva tra i momenti di spin-1, che invece di annullare il magnetismo lo rinforza attraverso l'intero materiale. Questo ribaltamento rappresenta una rottura netta con la comprensione tradizionale dell'effetto Kondo, storicamente considerato un fenomeno che "schermava" il magnetismo legando gli spin in configurazioni non magnetiche.
La scoperta identifica un vero e proprio confine quantistico nella fisica degli spin: al di sotto di questo limite, l'effetto Kondo agisce come soppressore del magnetismo, mentre al di sopra diventa un promotore attivo dell'ordine magnetico. Questa dualità fondamentale era rimasta nascosta per quasi cinquant'anni, non per mancanza di interesse teorico, ma per l'impossibilità di realizzare sistemi sperimentali sufficientemente puri da isolare le interazioni di spin dalle altre dinamiche elettroniche.
Le implicazioni per la scienza dei materiali quantistici e per le tecnologie emergenti sono notevoli. Come sottolinea Yamaguchi, la capacità di commutare stati quantistici tra regimi magnetici e non magnetici controllando semplicemente la dimensione dello spin rappresenta una strategia di progettazione potente per i materiali quantistici di prossima generazione. Questo controllo diventa particolarmente rilevante per le tecnologie quantistiche, dove proprietà come l'entanglement, il rumore magnetico e il comportamento critico quantistico determinano le prestazioni dei dispositivi.
Nel contesto della ricerca internazionale sull'informazione quantistica, la possibilità di ingegnerizzare reticoli di Kondo con proprietà magnetiche predefinite apre scenari applicativi concreti. Materiali che possono essere sintonizzati tra stati magnetici e non magnetici potrebbero fungere da interruttori quantistici, memorie o elementi di processamento per computer quantistici basati su spin. La piattaforma sperimentale sviluppata a Osaka offre inoltre un banco di prova ideale per testare predizioni teoriche su altri fenomeni quantistici collettivi, dalla superconduttività non convenzionale agli stati topologici della materia.
Il gruppo di ricerca sta ora esplorando sistemi con spin di dimensione ancora maggiore e configurazioni geometriche diverse, per mappare completamente il diagramma di fase di questi materiali quantistici sintetici. L'obiettivo a lungo termine è sviluppare una comprensione predittiva che permetta di progettare materiali con proprietà quantistiche su misura, trasformando modelli teorici astratti in componenti funzionali per la tecnologia quantistica del futuro.
