Coupled quantum critical states in a circuit simulator

Nel mondo microscopico della fisica quantistica, la materia spesso si comporta in modi che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Quando gli elettroni sono impacchettati strettamente in certi materiali, non si comportano semplicemente come particelle individuali che si scontrano tra loro; invece, formano uno stato collettivo e correlato in cui il comportamento di uno è inestricabilmente legato al comportamento di tutti gli altri. Per decenni, i fisici sono stati affascinati da un tipo specifico di questi stati collettivi noto come "liquidi di non-Fermi". In un metallo standard, gli elettroni scorrono fluidamente come un fluido, ma in questi stati esotici, il fluido diventa turbolento e imprevedibile, rifiutandosi di stabilizzarsi nei modelli calmi e ordinati tipici dei conduttori normali. Questi stati turbolenti sorgono spesso vicino a un punto di svolta, o uno stato critico, dove il materiale è sull'orlo di cambiare la sua natura fondamentale. Una grande domanda è rimasta sospesa sul campo per molto tempo: se si prendono due di questi sistemi turbolenti e critici e si connettono, rimangono caotici, si fondono in una nuova forma di materia ancora più strana, o si calmano e tornano a uno stato normale e ordinato?

Recentemente, dei ricercatori hanno costruito un ambiente di laboratorio controllato per rispondere a questa domanda, utilizzando un circuito composto da minuscole isole metalliche e fili semiconduttori. Questo setup funge da simulatore, permettendo ai ricercatori di sintonizzare le interazioni tra gli elettroni con estrema precisione. In uno studio recente, un team di fisici ha utilizzato questo simulatore per esplorare cosa accade quando due di questi sistemi critici vengono accoppiati. Hanno scoperto che il risultato dipende interamente dalla forza della connessione tra di essi. Quando il legame è debole, i due sistemi rimangono indipendenti, ognuno mantenendo la propria natura critica e caotica. Man mano che la connessione si rafforza, entrano in una via di mezzo in cui formano un nuovo tipo di stato di liquido di non-Fermi robusto, caratterizzato da proprietà uniche e continuamente regolabili. Tuttavia, se la connessione diventa troppo forte, il caos viene domato e il sistema collassa in uno stato calmo e ordinato noto come liquido di Fermi.

L'esperimento si basa su un dispositivo costruito da componenti ibridi metallo-semiconduttore, nello specifico due piccoli grani metallici, o isole, posizionati in un ambiente magnetico che costringe gli elettroni a muoversi in un'unica direzione. Ogni isola è collegata a fili esterni attraverso minuscoli gate regolabili chiamati contatti a punto quantistico. Questi gate controllano la facilità con cui gli elettroni possono tunnelizzare, o saltare, tra i fili e le isole. Quando i gate sono impostati su una resistenza specifica, gli elettroni sull'isola diventano "frustrati". Non riescono a stabilizzarsi in una singola configurazione stabile perché sono costantemente tirati in direzioni diverse dai fili circostanti. Questa frustrazione crea uno stato critico in cui la carica dell'isola fluttua selvaggiamente, un fenomeno noto come effetto Kondo a due canali. In questo stato, l'isola si comporta come un momento magnetico localizzato che viene schermato, o neutralizzato, da due flussi separati di elettroni simultaneamente.

Per investigare il destino di questi stati, i ricercatori hanno collegato due di queste isole frustrate tra loro tramite un gate centrale, creando un circuito in cui i due sistemi critici potessero interagire. Hanno affrontato il problema da due angolazioni diverse per garantire la solidità delle loro scoperte. Per prima cosa, hanno utilizzato potenti simulazioni numeriche per modellare il sistema quando le connessioni sono deboli, un regime in cui gli elettroni faticano a muoversi attraverso i gate. Questi calcoli hanno rivelato che quando le due isole sono solo debolmente connesse, esse si ignorano essenzialmente. Ogni isola mantiene il proprio comportamento critico e caotico, e il sistema rimane in uno stato di turbolenza da liquido di non-Fermi. I ricercatori hanno osservato che l'entropia, una misura del disordine del sistema, rimaneva alta, indicando che le isole erano ancora bloccate nel loro stato critico e frustrato.

Man mano che i ricercatori aumentavano la forza della connessione tra le isole, le simulazioni mostravano una transizione affascinante. Le due isole iniziavano a comunicare e i loro singoli comportamenti critici cominciavano a fondersi. Inve dove un'isola non dominava l'altra, o il sistema diventava immediatamente ordinato, essi entravano in una nuova fase intermedia. In questa fase, il sistema non si stabilizzava in un modello fisso, ma piuttosto esibiva proprietà che potevano essere continuamente regolate tramite l'aggiustamento dei settaggi dei gate. I ricercatori hanno scoperto che il modo in cui il sistema rispondeva alle variazioni di temperatura e campi magnetici seguiva un modello specifico e non standard che non corrispondeva a nessun materiale semplice noto. Ciò ha confermato l'esistenza di una robusta fase di liquido di non-Fermi accoppiata, un nuovo stato della materia che è stabile e controllabile.

Per comprendere l'immagine completa, il team ha anche analizzato l'estremo opposto, dove le connessioni tra le isole e i fili sono molto forti, permettendo agli elettroni di fluire quasi liberamente. In questo limite "quasiballistico", hanno utilizzato tecniche matematiche per mappare il comportamento degli elettroni su un problema riguardante particelle che si muovono su un reticolo. Questa analisi ha fornito un diagramma di fase completo, mostrando esattamente come il sistema si comporta al variare delle connessioni. Il diagramma ha rivelato che la nuova fase di liquido di non-Fermi non è un'anomalia fugace, ma una regione stabile che persiste in un ampio intervallo di condizioni. È uno stato in cui gli elettroni sono correlati in modo complesso, resistendo alla tendenza di formare un fluido semplice e ordinato.

Tuttavia, la storia non finisce con questo nuovo stato caotico. I ricercatori hanno scoperto che esiste un limite alla quantità di accoppiamento che il sistema può tollerare prima di rompersi. Quando la connessione tra le due isole diventa molto forte, il gate centrale agisce efficacemente come un ponte che permette agli elettroni di schermare completamente la frustrazione. Le isole non sono più bloccate in uno stato critico e fluttuante; invece, gli elettroni trovano una configurazione stabile in cui la carica è distribuita uniformemente e il sistema si calma. Questa transizione segna il ritorno a un normale liquido di Fermi, uno stato in cui gli elettroni si comportano come un fluido standard e ordinato. I ricercatori hanno identificato la scala energetica specifica alla quale avviene questa transizione, mostrando che segue una relazione matematica prevedibile basata sulla forza della connessione.

La portata di queste scoperte risiede nella dimostrazione che gli stati critici accoppiati possono effettivamente sopravvivere e persino prosperare in un ambiente controllato, formando una nuova classe di materia che è distinta sia dagli stati critici individuali che dal fluido normale. Ciò sfida l'idea che tali stati delicati e caotici verrebbero inevitabilmente distrutti dall'interazione con un vicino. Lo studio mostra che, sintonizzando attentamente la forza dell'interazione, gli scienziati possono guidare un sistema attraverso un viaggio da un caos indipendente, attraverso un nuovo caos collettivo regolabile, e infine verso l'ordine. Questo fornisce un modello per l'ingegnerizzazione di materiali quantistici con proprietà specifiche e desiderate, aprendo potenzialmente la strada a nuovi tipi di dispositivi elettronici che operano su principi che vanno ben oltre quelli dei metalli convenzionali. Il lavoro conferma che l'interazione tra criticità locale e accoppiamento non locale è un terreno ricco e fertile per la scoperta di nuova fisica, offrendo uno sguardo sul mondo complesso e correlato che esiste al cuore della materia quantistica.