Quando gli elettroni cantano in armonia - e percepiscono la forma della loro casa
I ricercatori di Amburgo osservano la coerenza quantistica sensibile alla forma nelle strutture Kagome a forma di stella
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I fisici dell'Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia (MPSD) di Amburgo hanno scoperto una nuova sorprendente forma di comportamento quantistico. Nei cristalli Kagome a forma di stella - che prendono il nome da un tradizionale cesto di bambù giapponese - gli elettroni che di solito si comportano come una folla rumorosa improvvisamente si sincronizzano, formando una "canzone" collettiva che si evolve con la forma del cristallo. Lo studio, pubblicato su Nature, rivela che la geometria stessa può sintonizzare la coerenza quantistica, aprendo nuove possibilità di sviluppare materiali in cui la forma definisce la funzione.
Illustrazione della coerenza degli elettroni a lungo raggio
Copyright: Guo et al.
Coerenza senza superconduttività
La coerenza quantistica - la capacità delle particelle di muoversi in sincronia come onde sovrapposte - è solitamente limitata a stati esotici come la superconduttività, dove gli elettroni si accoppiano e fluiscono in modo coerente. Nei metalli ordinari, le collisioni distruggono rapidamente tale coerenza. Ma nel metallo Kagome CsV₃Sb₅, dopo aver scolpito minuscoli pilastri cristallini di pochi micrometri e aver applicato campi magnetici, il team dell'MPSD ha osservato oscillazioni simili a quelle di Aharonov-Bohm nella resistenza elettrica. Ciò dimostra che gli elettroni interferiscono collettivamente, rimanendo coerenti ben oltre quanto la fisica delle singole particelle consentirebbe. "Questo non è ciò che gli elettroni non interagenti dovrebbero essere in grado di fare", afferma Chunyu Guo, autore principale dello studio. "Questo indica uno stato coerente a molti corpi".
Uno stato quantico sensibile alla forma
Ancora più sorprendente è il fatto che le oscillazioni dipendano dalla geometria del cristallo. I campioni rettangolari cambiavano schema ad angolo retto, mentre i parallelogrammi lo facevano a 60° e 120°, esattamente in corrispondenza della loro geometria. "È come se gli elettroni sapessero se si trovano in un rettangolo o in un parallelogramma", spiega Philip Moll, direttore responsabile dell'MPSD. "Cantano in armonia e la canzone cambia a seconda della stanza in cui si trovano".
La scoperta suggerisce un nuovo modo di controllare gli stati quantistici: scolpendo la geometria di un materiale. Se la coerenza può essere modellata piuttosto che semplicemente osservata, i ricercatori potrebbero progettare materiali che si comportano come strumenti accordati, dove la struttura, non solo la chimica, definisce la loro risonanza. "I metalli Kagome ci fanno intravedere una coerenza robusta e sensibile alla forma", afferma Moll. "È un nuovo principio di progettazione che non ci aspettavamo".
Una risonanza più ampia
Il reticolo Kagome ha da tempo incuriosito gli scienziati per il suo intricato disegno di triangoli ed esagoni intrecciati, che spesso frustrano geometricamente gli elettroni e danno origine a fasi esotiche della materia. Le recenti scoperte del team di Amburgo estendono questi effetti dal livello atomico alla scala dei dispositivi, dimostrando che la geometria influenza il comportamento quantistico collettivo degli elettroni. Proprio come un coro risuona in modo diverso in una cattedrale rispetto a una sala da concerto, gli elettroni in questi cristalli a forma di stella sembrano produrre un nuovo suono, influenzato non solo dalla disposizione degli atomi ma anche dalla loro forma. Attualmente questo fenomeno è limitato a contesti di laboratorio, dove fasci di ioni focalizzati modellano i cristalli in pilastri di dimensioni micrometriche. Tuttavia, le implicazioni di questa ricerca sono di vasta portata. "Una volta che la coerenza potrà essere modellata, anziché semplicemente scoperta, la frontiera dei materiali quantistici potrebbe spostarsi dalla chimica all'architettura", spiega Guo, "aprendo una nuova strada alla progettazione di funzionalità quantistiche per l'elettronica del futuro, rimodellando la geometria dei materiali".
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Pubblicazione originale
Chunyu Guo, Kaize Wang, Ling Zhang, Carsten Putzke, Dong Chen, Maarten R. van Delft, Steffen Wiedmann, Fedor F. Balakirev, Ross D. McDonald, Martin Gutierrez-Amigo, Manex Alkorta, Ion Errea, Maia G. Vergniory, Takashi Oka, Roderich Moessner, Mark H. Fischer, Titus Neupert, Claudia Felser, Philip J. W. Moll; "Many-body interference in kagome crystals"; Nature, 2025-10-29
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