Un successo che sta destando scalpore tra gli esperti

Gli elettroni possono formare vortici in un materiale quantistico. Già questo non è una novità. Tuttavia, il fatto che le piccole particelle formino un tornado nello spazio di quantità di moto è stato dimostrato sperimentalmente solo ora. Questo successo è stato raggiunto da un team di ricerca internazionale guidato dal dottor Maximilian Ünzelmann, capogruppo del Cluster of Excellence ct.qmat - Complexity and Topology in Quantum Matter presso le Università di Würzburg e Dresda. La prova di questo fenomeno quantistico rappresenta una nuova pietra miliare nella ricerca sui materiali quantistici. I ricercatori sperano che questo comportamento vorticoso degli elettroni nello spazio di quantità di moto possa costituire in futuro la base per nuove tecnologie quantistiche come l'orbitronica. In questo caso, la coppia orbitale degli elettroni viene utilizzata per trasmettere informazioni nei componenti elettronici al posto della carica elettrica. Ciò potrebbe ridurre in modo significativo le perdite di energia.

Spazio dei momenti e spazio spaziale

Lo spazio del momento è un concetto fisico utilizzato per determinare il movimento degli elettroni in base alla loro direzione di energia e di movimento, e non alla posizione specifica in cui si trovano. La sua "controparte" è il cosiddetto spazio di localizzazione. Questo rappresenta l'ambiente in cui vengono descritte le esperienze quotidiane, come i vortici d'acqua o gli uragani. Anche i vortici quantistici nei materiali sono stati finora rilevati solo nello spazio localizzato: Qualche anno fa, un altro team di ct.qmat ha fatto scalpore in tutto il mondo con la prima immagine tridimensionale di un campo magnetico simile a un vortice nello spazio locale di un materiale quantistico (Nature Nanotechnology 17 (2022) 250-255).

Teoria confermata

Otto anni fa, Roderich Moessner ha previsto teoricamente che un tornado quantistico è possibile anche nello spazio di quantità di moto. All'epoca, il membro fondatore di ct.qmat, con sede a Dresda, pubblicizzò questo fenomeno quantistico come "anello di fumo", perché anche gli anelli di fumo sono costituiti da vortici. Finora, tuttavia, non era chiaro come questi vortici potessero essere misurati. Gli esperimenti hanno ora dimostrato che il vortice quantistico è formato dal cosiddetto momento angolare orbitale, cioè dal moto circolare degli elettroni intorno ai nuclei atomici. "Quando abbiamo avuto le prime indicazioni che i vortici quantistici previsti esistevano davvero e potevano essere misurati, abbiamo contattato il nostro collega di Dresda e abbiamo avviato un progetto comune", ricorda Ünzelmann.

Tornado quantistici trovati estendendo un metodo standard

Il team di ricerca di Würzburg ha sviluppato uno speciale metodo ARPES (Angle Resolved Photo Emission Spectroscopy) per la prima rilevazione di un tornado quantistico nello spazio di quantità di moto. "L'ARPES fa parte del repertorio standard della fisica sperimentale dello stato solido. Comporta l'irradiazione di campioni di materiale con la luce, l'estrazione di elettroni e la misurazione della loro energia e dell'angolo di uscita. Ciò fornisce una visione diretta della struttura elettronica del materiale nello spazio dei momenti", spiega Ünzelmann. "Se si usa questo metodo con abilità, si può misurare il momento angolare orbitale. Ci sto lavorando fin dalla mia tesi di laurea". L'ARPES si basa sull'effetto fotoelettrico descritto da Albert Einstein, che fa parte della fisica di primo livello.

Ünzelmann aveva già ampliato il metodo nel 2021 e aveva attirato l'attenzione internazionale con il rilevamento dei monopoli orbitali nell'arseniuro di tantalio. L'aggiunta di un tipo di tomografia quantistica all'ARPES ha ora permesso di rilevare il tornado quantistico - una nuova pietra miliare. "Abbiamo analizzato il campione strato per strato, come è noto dalla tomografia medica. Le singole immagini sono state messe insieme. Questo ci ha permesso di vedere la struttura tridimensionale del momento angolare orbitale e di dimostrare che gli elettroni formano vortici nello spazio del momento", spiega Ünzelmann.

La rete Würzburg-Dresda collabora a livello mondiale

"La prova sperimentale del tornado quantistico è un esempio dello spirito di squadra di ct.qmat. Nei due centri di fisica di Würzburg e Dresda riusciamo a combinare con successo teoria e sperimentazione. Inoltre, gli esperti collaborano con i giovani scienziati della nostra rete di ricerca. Questa è una potente forza trainante per la ricerca sui materiali quantistici topologici. Inoltre, quasi tutti i progetti di fisica sono il risultato di una cooperazione internazionale, compreso questo", commenta Matthias Vojta, professore di fisica teorica dello stato solido alla TU di Dresda e portavoce a Dresda del Cluster di eccellenza ct.qmat.

Il campione di materiale di arseniuro di tantalio è stato coltivato negli Stati Uniti e poi analizzato presso l'impianto di ricerca internazionale su larga scala PETRA III del sincrotrone elettronico tedesco (DESY) di Amburgo. Uno scienziato cinese ha partecipato alla modellazione teorica e un ricercatore norvegese ha condotto l'esperimento.

Il team di ct.qmat sta attualmente studiando se il materiale possa essere utilizzato in futuro per realizzare componenti quantistici orbitronici.