Raffreddamento rapido per lo sviluppo della nanotecnologia quantistica

Il rapido raffreddamento dei particelle di magnone si rivela un metodo sorprendentemente efficace per generare uno stato quantistico della materia, un cosiddetto condensato di Bose-Einstein. Questa scoperta può contribuire a far progredire la ricerca sulla fisica quantistica ed è anche un passo verso l'obiettivo a lungo termine del calcolo quantistico a temperatura ambiente.

Un team internazionale di scienziati ha trovato un approccio semplice per indurre uno stato straordinario della materia, un cosiddetto condensato di Bose-Einstein. La nuova procedura, descritta recentemente sulla rivista Nature Nanotechnology, mira a far avanzare la ricerca e lo sviluppo del calcolo quantistico a temperatura ambiente.

Il team, guidato da fisici dell'Università Tecnica di Kaiserslautern (TUK) in Germania e dell'Università di Vienna in Austria, ha generato il condensato di Bose-Einstein (BEC) attraverso un improvviso cambiamento di temperatura. I quasi-particelle vengono inizialmente riscaldati lentamente e poi rapidamente raffreddati di nuovo alla temperatura ambiente. Hanno presentato la procedura utilizzando dei quasi-particelle chiamati magnon, che rappresentano le eccitazioni magnetiche di un solido.

„Molti ricercatori studiano diversi tipi di condensati di Bose-Einstein“, spiega il professor Burkard Hillebrands dell'TUK, uno dei principali ricercatori nel campo del BEC. „Il nuovo approccio che abbiamo sviluppato dovrebbe funzionare per molti sistemi.”

misterioso e spontaneo

I condensati di Bose-Einstein, chiamati così in onore di Albert Einstein e Satyendra Nath Bose, che per primi ipotizzarono la loro esistenza, sono una forma enigmatica di materia. Si tratta di particelle che si comportano spontaneamente tutte allo stesso modo a livello quantistico e sostanzialmente si uniscono in un'unica entità. Originariamente usati per descrivere particelle di gas ideali, i condensati di Bose-Einstein sono stati formati sia con atomi che con quasi-particelle come bosoni, fononi e magnon.

La creazione di condensati di Bose-Einstein è un compito complicato, poiché devono formarsi spontaneamente per definizione. Creare le condizioni per generare i condensati significa non indurre un ordine o una coerenza che stimoli le particelle a comportarsi allo stesso modo; le particelle devono farlo spontaneamente.

Attualmente, i condensati di Bose-Einstein vengono prodotti abbassando la temperatura fino quasi allo zero assoluto o iniettando un gran numero di particelle a temperatura ambiente in un piccolo volume. La tecnica a temperatura ambiente, di cui Hillebrands e i suoi collaboratori hanno riferito per la prima volta nel 2005, è tecnicamente complessa e solo pochi team di ricerca nel mondo dispongono dell'attrezzatura e delle competenze necessarie.

Il nuovo metodo, invece, è molto più semplice. È sufficiente una sorgente di calore e una minuscola nanostruttura magnetica, cento volte più piccola dello spessore di un capello umano.

„I nostri recenti progressi nella miniaturizzazione di strutture magnoniche su scala nanometrica ci hanno permesso di osservare il BEC da una prospettiva completamente diversa“, spiega il professor Andrii Chumak dell'Università di Vienna.

La nanostruttura viene riscaldata lentamente fino a 200°C per generare fononi, che a loro volta producono magnon alla stessa temperatura. La sorgente di calore viene spenta e la nanostruttura si raffredda rapidamente a temperatura ambiente in circa un nanosecondo. Durante questo processo, i fononi si disperdono nel substrato, ma i magnon sono troppo lenti per reagire e rimangono all’interno della nanostruttura magnetica.

Michael Schneider, autore principale e dottorando nel gruppo di ricerca sul magnetismo dell'TUK, ha spiegato le ragioni: „Quando i fononi scappano, i magnon cercano di ridurre l’energia per mantenere l’equilibrio. Poiché non possono ridurre il numero di particelle, devono ridurre l’energia in un altro modo. Per questo motivo, tutti si abbassano allo stesso livello energetico.”

Imponendo spontaneamente lo stesso livello energetico, i magnon formano un condensato di Bose-Einstein.

„Non abbiamo mai forzato la coerenza nel sistema“, spiega Andrii Chumak, „quindi questo è un metodo molto puro e chiaro per produrre condensati di Bose-Einstein”.

Risultati inaspettati

Come spesso accade nella scienza, il team ha fatto questa osservazione del tutto casualmente. Inizialmente volevano studiare un altro aspetto delle nanoscoperture, quando sono successe cose strane.

„All’inizio pensavamo che ci fosse qualcosa che non andava con il nostro esperimento o con l’analisi dei dati“, racconta Michael Schneider.

Dopo una riunione con partner dell'TUK e degli Stati Uniti, alcuni parametri sperimentali sono stati ottimizzati per verificare se il fenomeno insolito fosse effettivamente un condensato di Bose-Einstein. Questa verifica è stata condotta utilizzando tecniche spettroscopiche.

Il risultato interesserà principalmente altri fisici che studiano questo stato della materia. „Tuttavia, la pubblicazione di informazioni sui magnon e sul loro comportamento in uno stato quantistico macroscopico a temperatura ambiente potrebbe influenzare lo sviluppo di computer che usano i magnon come supporto di dati“, afferma Burkard Hillebrands.

Andrii Chumak ha sottolineato l’importanza della collaborazione all’interno dell’iniziativa di ricerca nazionale OPTIMAS dell'TUK e del progetto di ricerca speciale „Spin+X“, in collaborazione con l’Università di Mainz, per risolvere il mistero. La combinazione delle competenze del suo team sulle strutture nanometriche magnoniche con l’expertise di Hillebrands sui condensati di Bose-Einstein di magnon è stata essenziale. La loro ricerca è stata significativamente supportata da due borse di studio del Consiglio Europeo della Ricerca (ERC).

Pubblicazione originale:

M. Schneider, et al., Bose-Einstein Condensation of Quasi-Particles by Rapid Cooling, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020).

Contatto scientifico:

Prof. Dr. Andrii Chumak
Nanomagnetismo e Magnonica, Facoltà di Fisica, Università di Vienna
Boltzmanngasse 5, 1090 Vienna
Email: andrii.chumak@univie.ac.at
Tel.: +43-1-4277-73910
Cellulare: +43-664-60277-73910
Sito web: https://nanomag.univie.ac.at/

Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Gruppo di Ricerca Magnetismo, Dipartimento di Fisica, Università Tecnica di Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern
Email: hilleb@physik.uni-kl.de
Tel.: +49 631 205-4228
Sito web: https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/