Triploni complicati: gli scienziati creano un magnete quantistico artificiale con quasiparticelle fatte di elettroni intrecciati

Di Aalto University23 agosto 2023

L'illustrazione artistica mostra le eccitazioni magnetiche delle molecole di cobalto-ftalocianina, dove gli elettroni aggrovigliati si propagano in triploni. Credito: Università Jose Lado/Aalto

Un gruppo di ricerca rileva per la prima volta un’onda di entanglement quantistico utilizzando misurazioni nello spazio reale.

I Triplon sono piccole cose complicate. Sperimentalmente, sono estremamente difficili da osservare. E anche in questo caso, i ricercatori di solito conducono test su materiali macroscopici, in cui le misurazioni sono espresse come media sull’intero campione.

That’s where designer quantum materials offer a unique advantage, says Academy Research Fellow Robert Drost, the first author of a paper published on August 22 in the journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Lettere di revisione fisica. Questi materiali quantistici progettati consentono ai ricercatori di creare fenomeni non presenti nei composti naturali, consentendo in definitiva la realizzazione di eccitazioni quantistiche esotiche.

“Questi materiali sono molto complessi. Ti danno una fisica molto eccitante, ma quelli più esotici sono anche difficili da trovare e studiare. Quindi, stiamo provando un approccio diverso costruendo un materiale artificiale utilizzando singoli componenti”, afferma il professor Peter Liljeroth, capo del gruppo di ricerca sulla fisica della scala atomica presso l’Università di Aalto.

I materiali quantistici sono governati dalle interazioni tra gli elettroni a livello microscopico. Queste correlazioni elettroniche portano a fenomeni insoliti come la superconduttività ad alta temperatura o stati magnetici complessi, e le correlazioni quantistiche danno origine a nuovi stati elettronici.

Nel caso di due elettroni, ci sono due stati entangled noti come stati di singoletto e di tripletto. Fornire energia al sistema elettronico può eccitarlo dallo stato di singoletto allo stato di tripletto. In alcuni casi, questa eccitazione può propagarsi attraverso un materiale in un'onda di entanglement nota come triplon. Queste eccitazioni non sono presenti nei materiali magnetici convenzionali e la loro misurazione è rimasta una sfida aperta nei materiali quantistici.

Nel nuovo studio, il team ha utilizzato piccole molecole organiche per creare un materiale quantistico artificiale con proprietà magnetiche insolite. Ciascuna delle molecole di cobalto-ftalocianina utilizzate nell'esperimento contiene due elettroni di frontiera.

"Utilizzando elementi costitutivi molecolari molto semplici, siamo in grado di progettare e sondare questo complesso magnete quantistico in un modo mai fatto prima, rivelando fenomeni non riscontrati nelle sue parti indipendenti", afferma Drost. “Mentre le eccitazioni magnetiche negli atomi isolati sono state osservate a lungo utilizzando la spettroscopia a effetto tunnel, ciò non è mai stato ottenuto con la propagazione dei triploni”.

“Utilizziamo queste molecole per raggruppare insieme gli elettroni, li impacchettamo in uno spazio ristretto e li costringiamo a interagire”, continua Drost. “Esaminando una tale molecola dall’esterno, vedremo la fisica congiunta di entrambi gli elettroni. Poiché il nostro elemento fondamentale ora contiene due elettroni, anziché uno, vediamo un tipo di fisica molto diversa”.

Il team ha monitorato le eccitazioni magnetiche prima nelle singole molecole di cobalto-ftalocianina e poi in strutture più grandi come catene e isole molecolari. Partendo da ciò che è molto semplice e procedendo verso una complessità crescente, i ricercatori sperano di comprendere il comportamento emergente dei materiali quantistici. Nel presente studio, il team ha potuto dimostrare che le eccitazioni singoletto-tripletto dei loro elementi costitutivi possono attraversare reti molecolari come quasiparticelle magnetiche esotiche note come triploni.