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Dec 03, 2023

Svelare i misteri quantistici: un nuovo strumento districa lo strato degli stati elettronici

A cura dell'Università di Chicago, 20 maggio 2023 Il nuovo strumento districa gli stati elettronici. Credito: Illustrazione di Woojoo Lee e Peter Allen Ricercatori dell'Università di ChicagoFondata nel 1890, la

Di University of Chicago20 maggio 2023

Il nuovo strumento districa gli stati elettronici. Credito: illustrazione di Woojoo Lee e Peter Allen

Researchers at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">L’Università di Chicago e la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) hanno creato un nuovo strumento che può aiutare a rivelare l’origine degli stati elettronici nei materiali ingegnerizzati, aprendo la strada al loro utilizzo nelle future applicazioni della tecnologia quantistica.

Il professore assistente Shuolong Yang e il suo team hanno sviluppato questo strumento innovativo per migliorare la comprensione degli isolanti topologici magnetici, materiali con caratteristiche superficiali uniche che potrebbero svolgere un ruolo cruciale nel progresso delle tecnologie della scienza dell'informazione quantistica.

Attraverso una tecnica chiamata fotoemissione nel dominio della frequenza con codifica a strati, i ricercatori inviano due impulsi laser in un materiale stratificato. Le vibrazioni risultanti, insieme alla misurazione dell’energia, consentono ai ricercatori di mettere insieme un “filmato” che mostra come gli elettroni si muovono in ogni strato.

"Nella nostra vita quotidiana, quando vogliamo comprendere meglio un materiale, per capirne la composizione o se è cavo, bussiamo", ha detto Yang. “Questo è un approccio simile a livello microscopico. La nostra nuova tecnica ci consente di “bussare e ascoltare” materiali stratificati e ci ha permesso di dimostrare che un particolare isolante topologico magnetico funziona in modo diverso da quanto previsto dalla teoria”.

The results were published in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fisica della natura.

Comprendere i materiali stratificati è importante perché molti scienziati dei materiali ora progettano e creano materiali a livello atomico in un processo strato per strato, combinando due o più materiali insieme per creare un nuovo materiale. Costruire questi materiali da zero consente loro di creare materiali con nuove proprietà per le tecnologie future.

Quando gli scienziati hanno creato l'isolante topologico magnetico a due strati (MnBi2Te4) (Bi2Te3) combinando un materiale magnetico con un materiale non magnetico, hanno sviluppato un materiale con proprietà quantistiche esotiche. Gli elettroni si muovono attorno al perimetro della superficie mantenendo la loro energia e le proprietà quantistiche. Questa supercorrente potrebbe potenzialmente essere utilizzata per trasmettere informazioni archiviate in qubit nei futuri computer quantistici.

Poiché questi strati sono così sottili, dell’ordine di pochi nanometri, gli strumenti tradizionali di caratterizzazione dei materiali, come la spettroscopia, non sono in grado di distinguere tra gli strati. Mentre gli elettroni dovrebbero idealmente muoversi attorno alla superficie del materiale magnetico, precedenti esperimenti condotti da altri gruppi hanno dimostrato che forse invece sfrecciano attorno al materiale non magnetico.

Per capire cosa succede nei due diversi strati, il nuovo strumento invia prima un impulso infrarosso al femtosecondo (o un quadrilionesimo di secondo). Questo breve impulso fa vibrare gli strati in modo diverso, in base alla loro composizione. Quindi, i ricercatori inviano un secondo impulso laser ultravioletto, che può misurare l’energia e la quantità di moto degli elettroni nel materiale. Insieme, le due misurazioni possono registrare il movimento degli elettroni nel tempo.