Uno studio pubblicato su Nature Communications ha rivelato che gli elettroni nel pentatellururo di zirconio (ZrTe5) sono fondamentalmente gli adolescenti ribelli del mondo quantistico. Quando sottoposti a temperature vicine allo zero assoluto e a campi magnetici abbastanza potenti da far piangere i magneti del tuo frigorifero, queste particelle hanno mostrato oscillazioni quantistiche che sfidano le aspettative convenzionali.

La ricerca, guidata da scienziati dell'Università di San Paolo (USP) in Brasile, del Los Alamos National Laboratory, dell'Università di Washington e di altre istituzioni statunitensi, ha combinato esperimenti di trasporto elettrico in campi magnetici fino a 60 tesla a temperature intorno a 0,7 kelvin (-272,45 °C) con dettagliati calcoli teorici. Perché, si sa, perché non spingere i limiti della fisica mentre ci sei?

"Questo lavoro amplia la nostra comprensione del trasporto elettronico in fasi esotiche della materia e suggerisce che gli isolanti topologici supportano il trasporto non solo di carica elettrica, ma anche di un altro grado di libertà fondamentale: lo spin dell'elettrone", afferma Julio Larrea Jiménez, professore all'Istituto di Fisica dell'USP e cofondatore/direttore del Laboratorio per la Materia Quantistica in Condizioni Estreme.

Larrea è stato il supervisore di dottorato di Cauê Kaufmann Ribeiro, primo autore dello studio, che ha svolto gran parte del lavoro sperimentale durante uno stage al National High Magnetic Field Laboratory di Los Alamos, supportato da una borsa di ricerca all'estero FAPESP, e co-supervisionato da Johanna Palmstrom e Sean Thomas.

Gli isolanti topologici sono i tipi strani della scienza dei materiali: i loro interni sono isolanti elettrici, ma le loro superfici conducono elettricità. Ciò è dovuto alla topologia delle loro bande elettroniche, che sono protette da simmetrie cristalline. ZrTe5 è particolarmente speciale perché si trova vicino al confine tra diverse fasi topologiche, il che significa che piccoli cambiamenti di temperatura, deformazione meccanica, composizione chimica o campo magnetico possono alterare drasticamente il suo comportamento elettronico. È l'equivalente quantistico di un artista lunatico.

Quando gli elettroni si muovono attraverso un campo magnetico, le loro energie sono limitate a valori discreti chiamati livelli di Landau, dal nome di Lev Landau (1908-1968). Nei metalli puri, questi livelli possono attraversare ripetutamente il livello di Fermi, producendo oscillazioni nella resistenza elettrica note come oscillazioni di Shubnikov-de Haas, che normalmente seguono uno schema prevedibile in 1/B (dove B è il campo magnetico). Ma ZrTe5 non ha ricevuto quel promemoria.

I ricercatori hanno scoperto che le sue oscillazioni di magnetoresistenza non erano convenzionalmente periodiche in 1/B e continuavano ben oltre il limite quantistico, dove gli elettroni dovrebbero essere bloccati nel livello di Landau più basso e le oscillazioni dovrebbero svanire. Invece, le oscillazioni persistevano, come una cattiva abitudine.

"Nei materiali vicini alle transizioni di fase topologiche, gli elettroni possono cessare di comportarsi come particelle ordinarie all'interno di un metallo", spiega Kaufmann. "Le loro eccitazioni elettroniche iniziano a comportarsi come quasiparticelle simili ai fermioni di Dirac - particelle relativistiche. Nel nostro lavoro, mostriamo che lo spin di queste quasiparticelle gioca un ruolo centrale: quando applichiamo forti campi magnetici, l'interazione tra spin e campo magnetico altera profondamente i livelli energetici degli elettroni. Di conseguenza, i livelli di Landau che normalmente si allontanerebbero dall'energia rilevante del sistema possono 'tornare' e attraversarla di nuovo. Questo comportamento insolito è ciò che chiamiamo livelli di Landau rientranti."

Per spiegare questo, i ricercatori propongono un processo chiamato 'back-bending' dei livelli di Landau, in cui alcuni livelli si piegano all'indietro verso il livello di Fermi e lo attraversano di nuovo, generando oscillazioni extra in un regime in cui non dovrebbero esistere. Ciò accade a causa dell'interazione tra l'energia ciclotronica (dal moto orbitale) e l'effetto Zeeman (accoppiamento spin-campo magnetico), che sono intrecciati in materiali con forte interazione spin-orbita come ZrTe5.

Uno degli obiettivi dello studio era determinare se le oscillazioni anomale fossero dovute a effetti a molti corpi (collettivi) o a proprietà del singolo elettrone. I risultati suggeriscono che il back-bending dei livelli di Landau è un effetto a particella singola, ma che le interazioni a molti corpi potrebbero giocare un ruolo nel smorzamento delle oscillazioni. Questa distinzione è cruciale per comprendere il comportamento degli elettroni in materiali topologici e potrebbe avere implicazioni per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche.

Lo studio è stato sostenuto dalla FAPESP attraverso vari progetti, tra cui una borsa di dottorato, una borsa di ricerca all'estero e un progetto tematico. Altri autori includono ricercatori dell'USP, del Los Alamos National Laboratory, dell'Università di Washington e di altre istituzioni.

Quindi, la prossima volta che pensi che le leggi della fisica siano immutabili, ricorda ZrTe5: un materiale che fa le bizze quantistiche e sfida le aspettative, dimostrando che anche nell'universo subatomico, le regole sono più che altro suggerimenti.