Un team di fisici dell'Università della California a Irvine ha osservato per la prima volta una fase della materia quantistica prevista solo teoricamente, aprendo prospettive inedite per dispositivi elettronici autoalimentati e tecnologie capaci di resistere alle condizioni estreme dello spazio profondo. La scoperta, pubblicata sulla rivista Physical Review Letters, rappresenta un avanzamento significativo nella comprensione degli stati esotici della materia e potrebbe rivoluzionare il modo in cui concepiamo l'elettronica del futuro, spostando l'attenzione dal trasporto di carica elettrica a quello di spin.
La nuova fase quantistica è stata identificata in un materiale ingegnerizzato chiamato pentatelluride di afnio, sintetizzato nei laboratori della UC Irvine dal ricercatore postdottorale Jinyu Liu, primo autore dello studio. Il fenomeno si manifesta quando elettroni e "lacune" cariche positivamente – assenze di elettroni che si comportano come particelle con carica opposta – si aggregano formando strutture peculiari note come eccitoni. Ciò che rende questa scoperta particolarmente sorprendente dal punto di vista fisico è che elettroni e lacune ruotano nella stessa direzione, un comportamento mai osservato prima sperimentalmente.
Luis A. Jauregui, professore di fisica e astronomia alla UC Irvine e autore corrispondente della ricerca, ha spiegato il concetto con un'analogia: "È una nuova fase della materia, analoga a come l'acqua può esistere come liquido, ghiaccio o vapore. Era stata prevista solo teoricamente, nessuno l'aveva mai misurata fino ad ora". Il ricercatore ha aggiunto che se fosse possibile tenere questo materiale tra le mani, emetterebbe una luce brillante ad alta frequenza, testimonianza visibile dei processi quantistici che avvengono al suo interno.
La fase esotica è emersa durante esperimenti condotti presso i Los Alamos National Laboratory nel Nuovo Messico, dove il materiale è stato sottoposto a campi magnetici intensi fino a 70 Tesla – una potenza circa 700 volte superiore a quella di un normale magnete da frigorifero, che si attesta intorno a 0,1 Tesla. Queste condizioni estreme, ottenute grazie alle strutture del National High Magnetic Field Laboratory in Florida, hanno permesso al sistema di transire verso lo stato di eccitone. L'indicatore chiave della transizione è stato un brusco calo della conduttività elettrica del materiale all'aumentare dell'intensità del campo magnetico, segno inequivocabile del cambiamento di fase quantistica.
Dal punto di vista applicativo, una caratteristica cruciale di questa nuova forma di materia quantistica è la sua resistenza alle radiazioni, proprietà che la distingue nettamente dai materiali semiconduttori convenzionali utilizzati nell'elettronica moderna. Questa immunità al danneggiamento da particelle ad alta energia potrebbe rivelarsi fondamentale per le future missioni spaziali di lunga durata, come quelle verso Marte attualmente pianificate da agenzie governative e aziende private come SpaceX. "Potrebbe essere utile per le missioni spaziali", ha sottolineato Jauregui. "Se vogliamo computer nello spazio che durino a lungo, questo è un modo per realizzarlo".
La ricerca è il risultato di una collaborazione multidisciplinare che ha combinato sintesi dei materiali, caratterizzazione sperimentale e modellazione teorica. Oltre a Liu, hanno contribuito allo studio gli studenti di dottorato Robert Welser e Timothy McSorley, e lo studente undergraduate Triet Ho della UC Irvine. Il supporto teorico e l'interpretazione dei dati sono stati forniti da Shizeng Lin, Varsha Subramanyan e Avadh Saxena dei Los Alamos National Laboratory, mentre gli esperimenti ad alto campo magnetico sono stati condotti con la collaborazione di Laurel Winter e Michael T. Pettes del LANL e David Graf del National High Magnetic Field Laboratory in Florida.
Le implicazioni di questa scoperta si estendono ben oltre le applicazioni spaziali. La possibilità di trasportare informazioni attraverso lo spin degli elettroni, piuttosto che attraverso la loro carica elettrica, rappresenta infatti uno dei pilastri della spintronica, una disciplina emergente che promette dispositivi elettronici con consumi energetici drasticamente ridotti. Nella visione più ambiziosa, tecnologie basate su questo nuovo stato della materia potrebbero portare allo sviluppo di computer capaci di autoalimentarsi, riducendo la dipendenza da fonti energetiche esterne.
Jauregui ha ammesso che al momento non è possibile prevedere con precisione tutte le applicazioni future: "Non sappiamo ancora quali possibilità si apriranno come risultato di questa scoperta". Tuttavia, la conferma sperimentale di una fase quantistica prevista teoricamente costituisce un passo importante nella comprensione fondamentale della materia condensata e delle sue proprietà emergenti. I prossimi passi della ricerca includeranno probabilmente la caratterizzazione dettagliata delle proprietà ottiche ed elettroniche di questo stato esotico, oltre all'esplorazione di altri materiali che potrebbero ospitare fasi quantistiche simili a temperature o campi magnetici più accessibili, facilitandone l'eventuale implementazione tecnologica.