Inserire materiali quantistici in cavità ottiche offre una possibilità unica per il controllo delle proprietà collettive della materia: è quanto scoperto dallo studio pubblicato oggi su Nature, condotto dall’Università degli studi di Trieste e dall’Università di Erlangen e dai laboratori di Elettra Sincrotrone Trieste, in collaborazione con l’Helmholtz-Zentrum di Dresda, il CNR-IOM e lo Jožef Stefan Institute di Lubiana.
La scoperta apre opportunità ancora del tutto inesplorate per il controllo della termodinamica e delle proprietà di trasporto dei materiali quantistici – in questo caso specifico, il disolfuro di tantalio. Lo studio ha dimostrato che l’inserimento di materiali in cavità ottiche (due specchi perfettamente allineati), che porta ad una modifica dell’ambiente elettromagnetico che li circonda, può essere usato per controllare le proprietà dei materiali.
Il gruppo di ricercatori ha dimostrato, infatti, che è possibile ottenere una transizione reversibile tra la fase isolante e la fase metallica regolando meccanicamente la posizione degli specchi che circondano il materiale.
“La possibilità di decidere della capacità conduttiva di un materiale, con un controllo touchless, potrebbe avere importanti ricadute nella sensoristica di precisione e nell’ambito della computazione quantistica, fornendo potenzialmente un’architettura per leggere e controllare lo stato di un materiale con la luce – spiega Daniele Fausti, professore associato di fisica della materia presso il dipartimento di fisica all’Università degli studi di Trieste e chair di fisica dello stato solido all’Università di Erlangen. – “Abbiamo sviluppato delle ipotesi di ricerca per cui potrebbe essere possibile, attraverso la fisica delle cavità ottiche, controllare altre proprietà dei materiali come, ad esempio, la superconduttività. Ci sono addirittura delle ipotesi di ricerca per cui inserire materiali in cavità ottiche potrebbe essere il modo per renderli superconduttori a temperature sempre più vicine alla temperatura ambiente. Siamo davvero curiosi di indagare a fondo questa strada nei prossimi anni.”
Di grande interesse sia per la ricerca fisica fondamentale che per le applicazioni pratiche in settori quali l’elettronica, lo stoccaggio dell’energia e l’informatica quantistica, i materiali quantistici sono materiali speciali, all’interno dei quali l’interazione tra elettroni, vibrazioni ed eccitazioni magnetiche dà origine a proprietà anomale. Tra questi materiali è possibile classificare: i superconduttori, che conducono elettricità senza dissipazioni; gli isolanti topologici, che possono essere contemporaneamente isolanti all’interno e conduttori in superficie; i materiali spin liquid, nei quali non si osserva un ordine magnetico fino a temperatura nulla.
Questo lavoro dimostra che anche le caratteristiche del campo elettromagnetico che circonda il materiale possono avere un impatto importante sulle proprietà di questi materiali quantistici.
Il sistema quantistico studiato dai ricercatori è caratterizzato da una proprietà chiamata charge density wave. Mentre in un materiale convenzionale gli elettroni si distribuiscono uniformemente nello spazio, in un sistema charge density wave, gli elettroni si organizzano in aree eterogenee, alcune con densità di carica maggiore, altre con densità minore, determinando così un trasporto di corrente inconsueto. In particolare, nel sistema scelto per questo esperimento (1T-TaS2) la proprietà charge density wave comporta che a basse temperature il sistema sia isolante – poiché le modulazioni di densità di carica sono fisse nello spazio per interazione con il reticolo cristallino –, mentre al di sopra di una certa temperatura sia metallico.
“Se già sapevano che al di sotto di una certa temperatura il materiale diventa isolante, quel che abbiamo scoperto e dimostrato è la possibilità di modificare lo stato attraverso un movimento di specchi non in contatto con il materiale. Lo scenario che emerge dal nostro lavoro è analogo a quello dell’effetto Purcell che, scoperto nella prima metà del secolo scorso, viene considerato uno degli esperimenti fondanti della meccanica quantistica. Purcell e colleghi si erano resi conto nei primi anni ‘40 che mettendo atomi in cavità ottiche (tra due specchi) è possibile controllare a quale velocità questi dissipano energia per emissione di fotoni. I nostri esperimenti ci indicano che un meccanismo simile è rilevante nel nostro campione e che la modifica dello scambio di fotoni tra il materiale e il mondo esterno, indotta dalla cavità, può influenzare profondamente la termodinamica di materiali di questo tipo”.
