I fisici del MIT hanno intrappolato alcuni elettroni in un cristallo 3D, aprendo nuove possibilità per i superconduttori

I fisici del MIT hanno intrappolato alcuni elettroni in un cristallo 3D, aprendo nuove possibilità per i superconduttori

Alcuni fisici del MIT hanno intrappolato gli elettroni in un cristallo puro, segnando il primo risultato di una 'banda piatta elettronica' in un materiale tridimensionale. Il risultato è stato conseguito utilizzando una particolare disposizione cubica degli atomi del cristallo, ispirata all’arte giapponese del kagome

di pubblicata il , alle 09:01 nel canale Scienza e tecnologia
 

Ad inizio del mese alcuni fisici del MIT, il Massachusetts Institute of Technology, hanno pubblicato su Nature lo studio "Three-dimensional flat bands in pyrochlore metal CaNi2" dove hanno illustrato il metodo e le intuizioni che li hanno condotti a intrappolare, all'interno di un cristallo puro tridimensionale, alcuni elettroni.

Il risultato sarebbe straordinario già così, ma il nuovo stato in cui le particelle negative e sempre in movimento si sono ritrovate, ha svelato un loro comportamento del tutto sconosciuto: il gruppo di ricerca, guidato da Joseph Checkelsky, professore associato di fisica e primo autore dello studio, ha infatti osservato come, una volta intrappolati, gli elettroni arrivino a stabilizzarsi nello stesso identico stato energetico, iniziare a comportarsi come fossero "una cosa sola".

Questo stato collettivo, che il gruppo ha definito "simile a uno zombie", è ciò che in fisica è noto come "banda elettronica piatta" e, secondo gli accademici, potrebbe portare gli elettroni a "iniziare a sentire gli effetti quantistici di altri elettroni e ad agire in modi quantistici coordinati".

Attraverso alcune manipolazioni chimiche, i ricercatori hanno anche dimostrato di poter trasformare il cristallo in un superconduttore, ovvero in un materiale che conduce l'elettricità con resistenza pari a zero.

Il team ha ripreso in mano uno studio del 2018 ("Physicists discover new quantum electronic material", pubblicato a sua volta su Nature), basato già sull'utilizzo del kagome, ovvero il motivo di intrecci utilizzato nell'arte giapponese per creare dei cesti.

Grazie a questa geometria specifica, i ricercatori sono riusciti a fare un passo avanti notevole rispetto allo studio precedente, dove il kagome era stato utilizzato su strutture 2D e in cui, si era visto, gli elettroni erano riusciti a "scappare" fra le due dimensioni, saltando tra gli atomi.

Ecco come i ricercatori del MIT hanno catturato gli elettroni

Gli accademici hanno quindi indagato il punto debole di questa soluzione cercando nei database di strutture materiali, e scovando infine in una particolare configurazione geometrica degli atomi, classificata generalmente come pirocloro, un tipo di minerale con una geometria atomica altamente simmetrica.

Osservando la struttura tridimensionale degli atomi del pirocloro, hanno notato come questa andasse a formare uno schema ripetuto di cubi, dove la faccia di ciascun cubo richiamava il reticolo dei kagome. Da qui, l'intuizione (rivelatasi poi corretta) che una gabbia di questo tipo potesse riuscire ad intrappolare gli elettroni.

Ecco come i ricercatori del MIT hanno catturato gli elettroni

La "gabbia" 3D dove sono stati catturati gli elettroni - credits to MIT

I risultati ottenuti da quest'ultimo studio forniranno agli scienziati nuove strade con cui esplorare rari stati elettronici nei materiali tridimensionali. La previsione è che un domani questi materiali verranno utilizzati per linee elettriche ultraefficienti, bit quantici di supercalcolo e dispositivi elettronici più veloci e intelligenti.

"Ora che sappiamo che possiamo creare una banda piatta da questa geometria, abbiamo una grande motivazione per studiare altre strutture che potrebbero avere una nuova fisica, utile per divenire la piattaforma ideale per nuove tecnologie", ha affermato Checkelsky.

8 Commenti
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TheAle28 Novembre 2023, 09:34 #1
"potrebbe portare gli elettroni a "iniziare a sentire gli effetti quantistici di altri elettroni e ad agire in modi quantistici coordinati"."

Ciò cosa significa? Che la funzione d'onda di un elettrone sarebbe influenzata da quella di un altro e viceversa?
demon7728 Novembre 2023, 10:48 #2
Originariamente inviato da: TheAle
"potrebbe portare gli elettroni a "iniziare a sentire gli effetti quantistici di altri elettroni e ad agire in modi quantistici coordinati"."

Ciò cosa significa? Che la funzione d'onda di un elettrone sarebbe influenzata da quella di un altro e viceversa?


*premessa: scusate se scrivo imprecisioni e/o cazzate*

Penso faccia riferimento a fenomeni come ad esempio l'entanglement quantistico.
Sono effetti che possono essere ultilizzati per veicolare informazioni, ergo possono trovare impiego nella realizzazione di nuovi processori quantistici.
TheAle30 Novembre 2023, 08:32 #3
Originariamente inviato da: demon77
*premessa: scusate se scrivo imprecisioni e/o cazzate*

Penso faccia riferimento a fenomeni come ad esempio l'entanglement quantistico.
Sono effetti che possono essere ultilizzati per veicolare informazioni, ergo possono trovare impiego nella realizzazione di nuovi processori quantistici.


Beh però per sfruttare l'entanglement non credo sia necessario questo sistema, qui sembra una conseguenza che arriva usando da questo sistema. Forse bisognerebbe capire cosa intendono per banda elettronica piatta. Però può essere che questo reticolo, con questa forma, influenzi l'onda di probabilità in un modo specifico...sarebbe da approfondire.
demon7730 Novembre 2023, 12:31 #4
Originariamente inviato da: TheAle
Beh però per sfruttare l'entanglement non credo sia necessario questo sistema, qui sembra una conseguenza che arriva usando da questo sistema. Forse bisognerebbe capire cosa intendono per banda elettronica piatta. Però può essere che questo reticolo, con questa forma, influenzi l'onda di probabilità in un modo specifico...sarebbe da approfondire.


Boh. Mi fermo.
E' un campo questo dove per cominciare a "capirci qualcosina" devi già saperne un botto.
HW202130 Novembre 2023, 14:06 #5
Basandomi sulle mie conoscenze di fisica, sono convinto che se si vuole ottenere la superconduzione occorre inevitabilmente spendere energia per abbassare la temperatura dei super conduttori.

Questo lo sostengono implicitamente le leggi della termodinamica ma anche la famosa relazione di Einstein che formulò per la prima volta nella sua teoria della relatività generale ...


Gi atomi e le molecole e più in generale la materia, hanno una propria energia interna, questa energia è dovuta alle oscillazioni/vibrazioni delle particelle subatomiche, insomma intrinsecamente le particelle sub atomiche (elettroni, protoni, neutroni e compagnia bella) posseggono un'energia cinetica e un'energia potenziale e tale energia è quantificata complessivamente proprio dalla relazione di Einstein E=mc^2 (dove c^2 è la potenza quadratica della velocità della luce c).

La predetta energia interna è riscontrabile anche dai nostri sensi in ogni momento della vita quotidiana tramite la percezione di calore toccando la materia ... di fatto la grandezza fisica Temperatura è intrinsecamente legata a tale energia interna, quando si tocca un materiale percepiamo, anche se molto aprossimativamente, un certo valore di temperatura e limitatamente alle nostre sensibilità siamo in grado di stabilire se un corpo è più caldo di un altro, questa percezione è dovuta appunto alla vibrazione degli atomi e delle molecole nella superficie del corpo che tocchiamo perché si verificano delle interazioni tra gli atomi e le molecole nella superfice del corpo che tocchiamo e gli atomi e molecole nella superficie della nostra mano ...

Il guaio è che questa energia interna non è possibile ridurla di quanto vogliaiamo, c'è il famoso limite dello zero assoluto che non ci permette di andare oltre (non è possibile portare lo stato degli particelle subatomiche in uno stato di quiete assoluta) e per farlo occorre spendere moltissima energia per diminuire l'energia interna, del resto è questo che sostiene il secondo principio della termodinamica ... paradossalmente è meno dispendioso in termini di consumo energetico riscaldare che raffreddare ...

Che l'energia interna sia la causa di una più o meno ostruzione al passaggio della corrente elettrica (detta Resistività diventa così ovvia se si pensa che la corrente elettrica non è altro che il movimento di elettroni all'interno di un conduttore, questi muovendosi all'interno di un conduttore vengono inevitabilmente frenati dalle vibrazioni/oscillazioni intrinseche della materia. Un esempio più lampante di cosa accade in un conduttore al passaggio della corrente elettrica (flusso di elettroni) è immaginare un automobilista che all'interno del proprio autoveicolo pretende di andare a massima velocità nel bel mezzo del traffico cittadino alle ore di punta ... è ovvio che non può andare alla massima velocità ... sarà costretto a frenare , accelerare in continuazione rischiando anche di provocare degli incidenti

La superconduttività è appunto la tecnolgia che riduce al massimo la resistività di un conduttore, riduzione che è possibile attuare solo raffreddando al massimo il conduttore (ovvero riducendo l'energia interna del conduttore, riducendo le oscillazioni/vibrazioni intrinseche) ... da qui il termine superconduttore.

Tornando comunque all'argomento dell'articolo, nella scoperta dei ricercatori io ci vedo nel futuro più che altro applicazioni per computer quantistici ma non credo che sia utile per ottenere la superconduttività a costi energetici più ragionevoli rispetto a quelli che oggi occorrono per ottenere la superconduttività
HW202130 Novembre 2023, 14:06 #6
Basandomi sulle mie conoscenze di fisica, sono convinto che se si vuole ottenere la superconduzione occorre inevitabilmente spendere energia per abbassare la temperatura dei super conduttori.

Questo lo sostengono implicitamente le leggi della termodinamica ma anche la famosa relazione di Einstein che formulò per la prima volta nella sua teoria della relatività generale ...


Gi atomi e le molecole e più in generale la materia, hanno una propria energia interna, questa energia è dovuta alle oscillazioni/vibrazioni delle particelle subatomiche, insomma intrinsecamente le particelle sub atomiche (elettroni, protoni, neutroni e compagnia bella) posseggono un'energia cinetica e un'energia potenziale e tale energia è quantificata complessivamente proprio dalla relazione di Einstein E=mc^2 (dove c^2 è la potenza quadratica della velocità della luce c).

La predetta energia interna è riscontrabile anche dai nostri sensi in ogni momento della vita quotidiana tramite la percezione di calore toccando la materia ... di fatto la grandezza fisica Temperatura è intrinsecamente legata a tale energia interna, quando si tocca un materiale percepiamo, anche se molto aprossimativamente, un certo valore di temperatura e limitatamente alle nostre sensibilità siamo in grado di stabilire se un corpo è più caldo di un altro, questa percezione è dovuta appunto alla vibrazione degli atomi e delle molecole nella superficie del corpo che tocchiamo perché si verificano delle interazioni tra gli atomi e le molecole nella superfice del corpo che tocchiamo e gli atomi e molecole nella superficie della nostra mano ...

Il guaio è che questa energia interna non è possibile ridurla di quanto vogliaiamo, c'è il famoso limite dello zero assoluto che non ci permette di andare oltre (non è possibile portare lo stato degli particelle subatomiche in uno stato di quiete assoluta) e per farlo occorre spendere moltissima energia per diminuire l'energia interna, del resto è questo che sostiene il secondo principio della termodinamica ... paradossalmente è meno dispendioso in termini di consumo energetico riscaldare che raffreddare ...

Che l'energia interna sia la causa di una più o meno ostruzione al passaggio della corrente elettrica (detta Resistività diventa così ovvia se si pensa che la corrente elettrica non è altro che il movimento di elettroni all'interno di un conduttore, questi muovendosi all'interno di un conduttore vengono inevitabilmente frenati dalle vibrazioni/oscillazioni intrinseche della materia. Un esempio più lampante di cosa accade in un conduttore al passaggio della corrente elettrica (flusso di elettroni) è immaginare un automobilista che all'interno del proprio autoveicolo pretende di andare a massima velocità nel bel mezzo del traffico cittadino alle ore di punta ... è ovvio che non può andare alla massima velocità ... sarà costretto a frenare , accelerare in continuazione rischiando anche di provocare degli incidenti

La superconduttività è appunto la tecnolgia che riduce al massimo la resistività di un conduttore, riduzione che è possibile attuare solo raffreddando al massimo il conduttore (ovvero riducendo l'energia interna del conduttore, riducendo le oscillazioni/vibrazioni intrinseche) ... da qui il termine superconduttore.

Tornando comunque all'argomento dell'articolo, nella scoperta dei ricercatori io ci vedo nel futuro più che altro applicazioni per computer quantistici ma non credo che sia utile per ottenere la superconduttività a costi energetici più ragionevoli rispetto a quelli che oggi occorrono per ottenere la superconduttività
Okkau30 Novembre 2023, 14:07 #7
Chip isolineari come in ST-TNG in arrivo?
TheAle22 Dicembre 2023, 09:08 #8
Originariamente inviato da: HW2021
Basandomi sulle mie conoscenze di fisica, sono convinto che se si vuole ottenere la superconduzione occorre inevitabilmente spendere energia per abbassare la temperatura dei super conduttori.

Questo lo sostengono implicitamente le leggi della termodinamica ma anche la famosa relazione di Einstein che formulò per la prima volta nella sua teoria della relatività generale ...


Gi atomi e le molecole e più in generale la materia, hanno una propria energia interna, questa energia è dovuta alle oscillazioni/vibrazioni delle particelle subatomiche, insomma intrinsecamente le particelle sub atomiche (elettroni, protoni, neutroni e compagnia bella) posseggono un'energia cinetica e un'energia potenziale e tale energia è quantificata complessivamente proprio dalla relazione di Einstein E=mc^2 (dove c^2 è la potenza quadratica della velocità della luce c).

La predetta energia interna è riscontrabile anche dai nostri sensi in ogni momento della vita quotidiana tramite la percezione di calore toccando la materia ... di fatto la grandezza fisica Temperatura è intrinsecamente legata a tale energia interna, quando si tocca un materiale percepiamo, anche se molto aprossimativamente, un certo valore di temperatura e limitatamente alle nostre sensibilità siamo in grado di stabilire se un corpo è più caldo di un altro, questa percezione è dovuta appunto alla vibrazione degli atomi e delle molecole nella superficie del corpo che tocchiamo perché si verificano delle interazioni tra gli atomi e le molecole nella superfice del corpo che tocchiamo e gli atomi e molecole nella superficie della nostra mano ...

Il guaio è che questa energia interna non è possibile ridurla di quanto vogliaiamo, c'è il famoso limite dello zero assoluto che non ci permette di andare oltre (non è possibile portare lo stato degli particelle subatomiche in uno stato di quiete assoluta) e per farlo occorre spendere moltissima energia per diminuire l'energia interna, del resto è questo che sostiene il secondo principio della termodinamica ... paradossalmente è meno dispendioso in termini di consumo energetico riscaldare che raffreddare ...

Che l'energia interna sia la causa di una più o meno ostruzione al passaggio della corrente elettrica (detta Resistività diventa così ovvia se si pensa che la corrente elettrica non è altro che il movimento di elettroni all'interno di un conduttore, questi muovendosi all'interno di un conduttore vengono inevitabilmente frenati dalle vibrazioni/oscillazioni intrinseche della materia. Un esempio più lampante di cosa accade in un conduttore al passaggio della corrente elettrica (flusso di elettroni) è immaginare un automobilista che all'interno del proprio autoveicolo pretende di andare a massima velocità nel bel mezzo del traffico cittadino alle ore di punta ... è ovvio che non può andare alla massima velocità ... sarà costretto a frenare , accelerare in continuazione rischiando anche di provocare degli incidenti

La superconduttività è appunto la tecnolgia che riduce al massimo la resistività di un conduttore, riduzione che è possibile attuare solo raffreddando al massimo il conduttore (ovvero riducendo l'energia interna del conduttore, riducendo le oscillazioni/vibrazioni intrinseche) ... da qui il termine superconduttore.

Tornando comunque all'argomento dell'articolo, nella scoperta dei ricercatori io ci vedo nel futuro più che altro applicazioni per computer quantistici ma non credo che sia utile per ottenere la superconduttività a costi energetici più ragionevoli rispetto a quelli che oggi occorrono per ottenere la superconduttività


Il tuo ragionamento è valido per la fisica classica, ma non per la fisica quantistica. Stai considerando l'elettrone come una particella che deve passare per forza in un percorso specifico mentre se la consideri come onda/particella avrai altri comportamenti. Magari in questo reticolo fanno passare dove vogliono loro l'elettrone (o modificano la funzione d'onda in modo mirato) per simulare un percorso privo di ostacoli, forse forzando un entanglement quantistico, e dando superconduttività. Onestamente non ci ho capito molto di più.

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