Ricercatori dell’Università di Basilea e di Cnr-Nano hanno dimostrato la correlazione negativa tra i due spin di una coppia di elettroni entangled di un superconduttore
L’entanglement tra due particelle fa parte di quei fenomeni della fisica quantistica che difficilmente si conciliano con le esperienze quotidiane. Se due particelle sono entangled (si potrebbe dire ‘intrecciate’), alcune loro proprietà restano strettamente legate, anche quando le particelle sono molto distanti. Albert Einstein ha descritto l’entanglement come “un a inquietante azione a distanza”. Gli studi sull’entanglement tra particelle di luce, i fotoni, hanno ricevuto quest’anno il premio Nobel per la fisica.
Anche due elettroni possono essere soggetti a entanglement, ad esempio nei loro spin. In un superconduttore, gli elettroni formano le cosiddette coppie di Cooper, che sono responsabili delle correnti elettriche senza perdite tipiche dei superconduttori, e in cui i singoli spin sono appunto entangled.
Ora un team guidato da Christian Schönenberger e Andreas Baumgartner dell’Università di Basilea, in collaborazione con Lucia Sorba e Valentina Zannier dell’Istituto Nanoscienze del Cnr e della Scuola Normale Superiore (SNS) di Pisa, è stato in grado di dimostrare sperimentalmente ciò che era predetto da tempo dalla teoria: gli elettroni da un superconduttore emergono sempre a coppie con spin opposti. I risultati sono pubblicati sulla rivista scientifica Nature.
Usando una configurazione sperimentale innovativa, i fisici sono stati in grado di misurare che lo spin di un elettrone punta verso l’alto quando l’altro punta verso il basso, e viceversa. «Abbiamo così dimostrato sperimentalmente una correlazione negativa tra gli spin di elettroni accoppiati», spiega il primo autore Andreas Baumgartner.
I ricercatori si sono serviti di una particolare nanostruttura, un singolo nanofilo Arseniuro di Indio con al suo interno delle barriere in Fosfuro di Indio, realizzato nei laboratori di Cnr Nano e SNS. In una tale nanostruttura i due segmenti del nanofilo – sotto e sopra la barriera – agiscono come due punti quantici, ciascuno dei quali consente il passaggio di singoli elettroni. Per estrarre la coppia di elettroni i ricercatori hanno realizzato una sorta di ‘selettore di spin’, sviluppato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Basilea. Usando minuscoli magneti, hanno generato campi magnetici regolabili individualmente in ciascuno dei due punti quantici che separano gli elettroni della coppia di Cooper. Poiché lo spin determina anche il momento magnetico di un elettrone, è consentito il passaggio di un solo particolare tipo di spin alla volta.
“Possiamo regolare entrambi i punti quantici in modo che quasi esclusivamente gli elettroni con un certo spin li attraversino”, spiega Arunav Bordoloi primo autore dello studio. “Ad esempio, un elettrone con spin ‘su’ passa attraverso un punto quantico e un elettrone con spin ‘giù’ passa attraverso l’altro punto quantico, o viceversa. Se entrambi i punti quantici sono impostati per far passare solo spin dello stesso tipo, le correnti elettriche che registriamo in entrambi i punti quantici sono molto ridotte”.
“Con questa tecnica, siamo stati in grado di rilevare per la prima volta tali correlazioni negative tra gli spin degli elettroni di un superconduttore”, conclude Andreas Baumgartner. “I nostri esperimenti sono un primo passo, ma non ancora una prova definitiva degli spin di elettroni entangled, dal momento che non possiamo impostare arbitrariamente l’orientamento dei filtri di spin, ma ci stiamo lavorando”.
Fondamentali per l’esperimento i nanofili che contengono gli elettroni realizzati con tecniche di crescita epitassiale da ricercatori di Cnr Nano, come spiega Valentina Zannier: “L’alta qualità dei nanofili, in termini di morfologia, proporzioni, struttura cristallina e composizione chimica è stata cruciale per realizzare il forte confinamento del punto quantico che ha permesso di misurare le polarizzazioni di spin di un singolo elettrone”.
La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature, è considerata un passo importante verso ulteriori indagini sperimentali sui fenomeni della meccanica quantistica, come l’entanglement di particelle nei solidi, che è anche una componente chiave dei computer quantistici.
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