Un nuovo stato della materia: i fluidi di spin quantistico potrebbero rivoluzionare l’informatica

La sostanza può presentarsi in diverse forme. L’abbiamo imparato sul banco di scuola. Ci sono solidi, liquidi e gas. È il migliore dei tre stati della materia. Ma i fisici di oggi ne distinguono parecchi altri. Sorprendente per la maggior parte. Particolarmente strano, anche per alcuni. Stato plasma, stato superconduttore o anche un condensato di Bose-Einstein, per esempio.

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Forse uno degli stati più impressionanti della materia è quello che i ricercatori chiamano fluido di spin quantistico. È stato menzionato per la prima volta dal fisico americano Philip Anderson – per coincidenza vincitore del Premio Nobel per la Fisica nel 1977 – nei primi anni ’70, e poi gli specialisti della materia condensata hanno sviluppato tutti i tipi di teorie sull’argomento.

Ma fu solo all’inizio del nostro secolo che la prima forma di questo stato della materia fu riconosciuta in laboratorio. In un minerale raro, Herbertsmithite – con la formula chimica ZnCu₃ (Oh) ₆Cl₂. Grazie alla sua speciale struttura cristallina che deposita ioni di rame²⁺ magnetizzato ai vertici della cosiddetta griglia di Kagomé. Una griglia composta da triangoli equilateri ed esagoni.

Sintesi di fluidi di spin quantistico

Oggi, un team internazionale guidato da ricercatori dell’Università di Harvard (USA) ha annunciato di essere andato ancora oltre. Negli ultimi anni, i fisici hanno tentato di sintetizzare questi fluidi di spin quantistico per studiarli in laboratorio. e sfruttarlo nella pratica. Cercano di formare strutture bidimensionali a forma di nido d’ape o persino composti kagome. E i fisici di Harvard lo hanno fatto di recente.

Per capire come hanno fatto questo, diamo prima un’occhiata alla specificità dei fluidi con spin quantistico. Perché contrariamente a quanto potrebbe suggerire il loro nome, non hanno nulla a che fare con i liquidi nel senso comune. Si presenta sotto forma di cristalli solidi. come Herbertsmithite. D’altra parte, ciò che può essere descritto come un liquido, in un fluido di spin quantistico, è il suo stato magnetico. Quindi gli spin – questi tipi di magneti elementari che conferiscono al materiale le sue proprietà magnetiche – i materiali posti in questo stato si comportano come molecole liquide. Questo significa a caso.

In Herbertsmithite – con la formula chimica ZnCu₃ (Oh) ₆Cl₂ – , solo ioni di rame²⁺ Mostra momento magnetico. È organizzato sulla rete Kagomé come questo. © RA Nonenmacher, Wikipedia, CC by-SA 4.0

Con l’importante differenza simile a quella, più un liquido convenzionale si raffredda, maggiore è la disposizione delle sue molecole. Ma i fluidi con spin quantistico rimangono turbolenti, anche a temperature estremamente basse. I loro elettroni non si stabilizzano. Un po’ come una calamita che non si congelerà mai. Fluttua costantemente in uno degli stati quantistici più intricati di tutti. Apparire in diverse configurazioni contemporaneamente con una certa probabilità. Lo stato di potenza inferiore può essere ottenuto in varie configurazioni di spin. Il risultato di un fenomeno noto ai fisici come frustrazione magnetica.

Frustrazione magnetica al centro

Questa frustrazione appare, ad esempio, in un reticolo cristallino triangolare antiferromagnetico. In un materiale antiferromagnetico, per minimizzare l’energia di interazione, gli avvolgimenti del rotore si orientano in modo inverso, dalla testa alla coda per la smagnetizzazione. È facile da ottenere in una griglia quadrata. Ma in una rete trigonometrica, diventa impossibile posizionare tutte le coppie di cicli in direzioni opposte di parallelismo. I cicli, sempre alla ricerca di quella configurazione perfetta, continuano a fluttuare.

Per un fluido di spin quantistico, allora immaginiamo che dovremmo essere in grado di costruire reti di forme programmabili. Matrici a nido d’ape o matrici trigonometriche, ad es. Questo per incoraggiare le diverse interazioni e gli intrecci tra gli atomi molto freddi. Uno strumento per fare questo genere di cose, sviluppato dai ricercatori dell’Università di Harvard nel 2017. Un simulatore quantisticoConsente di separare e restituire gli atomiCome vogliono, dicono i fisici. Tutto grazie a un laser la cui frequenza può essere regolata.

È così che sono stati in grado di creare la propria rete Kagomé frustrata, depositandovi atomi e quindi misurando e analizzando le interazioni tra di loro attraverso le catene topologiche. È proprio la presenza di tali stringhe che consente ai ricercatori di affermare che si verificano correlazioni quantistiche e che è emerso uno stato liquido di spin quantistico.

Verso un computer quantistico

Se i fisici hanno lavorato sui fluidi con spin quantistico per quasi 50 anni, non è solo per curiosità intellettuale. Anche le loro proprietà speciali sono promettenti. I fluidi di spin quantistico possono effettivamente far avanzare campi come i superconduttori ad alta temperatura. O quell’informatica quantistica.

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Laddove i computer che usiamo quotidianamente si affidano al classico sistema di bit binari per codificare le informazioni, i computer quantistici si affidano ai qubit quantistici. Il problema è che questi qubit sono molto instabili. La minima differenza di temperatura, ad esempio, è sufficiente per far perdere loro la direzione. Ma in un fluido di spin quantistico, i qubit devono essere più resistenti alle interferenze esterne. Ora resta ai ricercatori imparare come creare e manipolare i cosiddetti qubit topologici. Un grande passo avanti verso la realizzazione di computer quantistici affidabili.

fonte :Esame di fluidi di spin topologici su un simulatore quantistico programmabile