Strongly anisotropic non-Kramers electron spin as a quantum coherence probe of angular fluctuations

Nel silenzioso mondo della fisica quantistica, gli scienziati cercano costantemente di mantenere in vita fragili frammenti di informazione. Questi bit, spesso trasportati dai minuscoli spin degli elettroni all'interno di cristalli solidi, sono i mattoni per tecnologie future come la comunicazione ultra-sicura e i computer superveloci. Affinché questi sistemi funzionino, gli spin devono rimanere coerenti, il che significa che devono restare in sincronia e non perdere il loro ritmo a causa del caos dell'ambiente circostante. Di solito, i ricercatori si preoccupano del rumore magnetico o del calore che scuote questi spin. Tuttavia, esiste una classe speciale di materiali in cui le regole sono diverse. In questi cristalli, gli elettroni sono bloccati in un'orientazione specifica dalla struttura stessa del cristallo, rendendoli incredibilmente sensibili anche al minimo spostamento. Se il cristallo si inclina anche solo di una frazione di grado, il ritmo dell'elettrone cambia. Questa sensibilità è solitamente vista come un problema, una debolezza che fa svanire l'informazione. Ma essa suggerisce anche un nuovo e potente modo per misurare il mondo, trasformando una debolezza in uno strumento.

Un team di ricercatori ha ora trasformato questa idea in realtà studiando un cristallo contenente una piccola quantità di terbio, un elemento delle terre rare. Hanno posto questo cristallo in un campo magnetico e hanno usato impulsi di microonde per ascoltare il ritmo degli elettroni del terbio. Ciò che hanno scoperto è che gli elettroni stavano perdendo il loro ritmo molto più velocemente di quanto previsto, e la velocità di questa perdita dipendeva interamente dall'angolo del campo magnetico. Quando il campo era inclinato nel modo giusto, gli elettroni diventavano incredibilmente agitati. I ricercatori si resero conto che questo fremito non proveniva dagli elettroni stessi o da altri atomi nel cristallo. Era invece causato dal fatto che il cristallo stesso vibrava fisicamente e oscillava avanti e indietro, spinto dal ronzio meccanico delle apparecchiature di laboratorio circostanti.

Per dimostrare questo, gli scienziati hanno eseguito una serie di test accurati. Hanno cambiato il modo in cui il cristallo era montato e hanno persino acceso e spento una pompa vicina. Quando la pompa era in funzione, le vibrazioni aumentavano e gli elettroni perdevano il ritmo molto più velocemente. Quando hanno aggiunto pesi per smorzare le vibrazioni, gli elettroni hanno mantenuto il loro ritmo più a lungo. Questo ha confermato che il cristallo agiva come un sismometro minuscolo e ultra-sensibile, percependo i brividi meccanici della stanza. I ricercatori hanno calcolato che il loro setup poteva rilevare movimenti angolari piccoli quanto 36 nanodegri per radice quadrata di hertz. Per dare un termine di paragone, se aveste inclinato un righello lungo quanto un capello di un essere umano di un'entità inferiore alla larghezza di un singolo atomo, questo sistema probabilmente lo avrebbe notato.

Lo studio ha anche rivelato che questo effetto non è solo un fastidio da evitare, ma una caratteristica fondamentale di questi specifici materiali. In molti esperimenti quantistici, gli scienziati cercano di schermare i loro campioni da ogni rumore esterno. Qui, i ricercatori hanno dimostrato che, per certi tipi di cristalli, il rumore della stanza è in realtà la causa principale che impedisce agli elettroni di funzionare. Hanno costruito un modello che includeva questo scuotimento meccanico e, per la prima volta, questo corrispondeva perfettamente ai dati raccolti attraverso una vasta gamma di temperature e intensità di campo magnetico. I modelli precedenti, che guardavano solo alle interazioni magnetiche o al calore, fallivano completamente, prevedendo che gli elettroni avrebbero dovuto durare molto più a lungo di quanto effettivamente facessero.

Questa scoperta cambia il modo in cui gli scienziati pensano alla costruzione di dispositivi quantistici. Suggerisce che, per questi specifici materiali, controllare la stabilità fisica della macchina è importante quanto quanto il controllo dei campi magnetici. Se l'obiettivo è mantenere viva l'informazione quantistica per molto tempo, la macchina deve essere isolata dalle minime vibrazioni meccaniche. Ma se l'obiettivo è misurare il mondo, questi stessi materiali possono essere usati come sensori incredibilmente precisi. I ricercatori hanno dimostrato che, regolando il campo magnetico, potevano rendere il cristallo così sensibile da poter mappare le minuscole vibrazioni di un criostato o di una pompa. Questa doppia natura significa che la stessa proprietà fisica che rende questi materiali difficili da usare per l'informatica li rende anche perfetti per la sensoristica.

Il lavoro è stato svolto utilizzando un cristallo di tungstato di calcio, un materiale noto per essere molto silenzioso magneticamente, il che ha permesso ai ricercatori di isolare questo specifico effetto meccanico. Hanno misurato gli elettroni a temperature di appena pochi gradi sopra lo zero assoluto, dove il rumore termico è abbastanza basso da poter sentire i sussurri meccanici. Hanno scoperto che a temperature più basse, le vibrazioni meccaniche delle apparecchiature di laboratorio erano la causa dominante della perdita del segnale. A temperature leggermente più alte, un altro tipo di scuotimento interno al cristallo stesso prendeva il sopravvento. Separando questi due effetti, sono stati in grado di descrivere esattamente come il cristallo si muoveva e come quel movimento influenzava gli elettroni.

Questa ricerca non risolve solo un enigma relativo a un cristallo specifico; evidenzia un fattore nascosto in molti esperimenti di precisione. Qualsiasi sistema che utilizzi elettroni con una forte preferenza direzionale potrebbe essere influenzato da questo tipo di rumore meccanico. Le scoperte suggeriscono che, in futuro, gli scienziati potrebbero dover progettare le loro macchine quantistiche con un isolamento meccanico molto più rigoroso di quanto precedentemente pensato. Viceversa, potrebbero utilizzare intenzionalmente questi materiali per costruire nuovi tipi di sensori in grado di rilevare vibrazioni nella gamma dei kilohertz, una banda di frequenza dove altri sensori spesso faticano. La capacità di trasformare un sistema quantistico in una sonda meccanica apre una nuova porta per la comprenszione di come il mondo fisico interagisca con quello quantistico.

I ricercatori hanno confermato i loro risultati confrontando i dati di due laboratori diversi e utilizzando due diversi setup meccanici. In un test, hanno semplicemente stretto o allentato le viti che tenevano in posizione il cristallo. Quando la configurazione era lenta, le vibrazioni erano più forti e gli elettroni perdevano il ritmo più velocemente. Quando era stretta, il segnale migliorava. Questo legame semplice e diretto tra il montaggio fisico e il segnale quantistico non ha lasciato dubbi sulla causa. Lo studio fornisce un quadro chiaro e quantitativo di come il rumore meccanico viaggi da una pompa o da una stanza verso un sistema quantistico, mostrando che anche l'attrezzatura dall'aspetto più stabile ha un lato nascosto e agitato.

In definitiva, questo articolo dimostra che il confine tra il mondo quantistico e il mondo meccanico è più sottile di quanto pensassimo. Gli elettroni nel cristallo di terbio non stanno solo fluttuando in un vuoto; sono intimamente connessi alla struttura fisica che li ospita. Comprendendo questa connessione, gli scienziati possono imparare o a silenziare il rumore per proteggere i loro computer quantistici, o a imparare ad ascoltarlo per costruire sensori migliori. Il lavoro è un promemoria del fatto che, nella ricerca del controllo delle cose più piccole, non dobbiamo mai dimenticare l'influenza del mondo più grande che ci circonda.