Dentro un nuovo cristallo esotico, il fisico Martin Mourigal ha osservato forti indicazioni di azione "spettrale", e molto. I risultati dei suoi esperimenti, se confermata nel tempo, significherebbe che il tipo di cristallo è un nuovo materiale raro che può ospitare un liquido di spin quantistico.

Attualmente, si ritiene che solo una piccola manciata di materiali possa avere queste proprietà. Questo nuovo cristallo è stato sintetizzato per la prima volta solo un anno fa. La conferma da parte di altri fisici dei nuovi dati sperimentali prodotti da Mourigal potrebbe richiedere un decennio o più.

Confuso? Incontra la fisica quantistica

Un "liquido" trovato all'interno di un oggetto solido può creare confusione a molte persone.

Benvenuti nei materiali quantistici, parte della zona crepuscolare chiamata fisica quantistica, che gli scienziati hanno lottato per un secolo per afferrare un nanometro alla volta. Anche se molto su di esso è ancora da scoprire, la fisica quantistica descrive la realtà sottostante della materia.

Il funzionamento dei computer, telefono cellulare, i superconduttori e le macchine per la risonanza magnetica si basano su di esso. Ma le sue leggi sul regno atomico sfidano la percezione umana di ciò che è reale, e alcuni suonano così assurdi da essere diventati popolari rompicapi scientifici.

"Liquido" in un groviglio "spettrale"

Prendi l'entanglement quantistico, il fulcro della ricerca di Mourigal sul cristallo:se due particelle, elettroni per esempio, rimanere impigliato, possono essere fisicamente separati da molte miglia, ed essere ancora intimamente legati gli uni agli altri. Le azioni applicate a una particella influiscono istantaneamente sull'altra.

All'inizio, questa teoria era troppo strana anche per il padre della relatività, Albert Einstein, che lo ha preso in giro come "azione spettrale a distanza".

Da allora l'entanglement è stato dimostrato in esperimenti, ma ora scienziati come Mourigal, un fisico sperimentale presso il Georgia Institute of Technology, e la sua squadra, l'hanno portato molto più lontano. Il cristallo sintetico che ha esaminato, un composto di itterbio con la formula YbMgGaO4, è probabilmente pieno di connessioni "spettrali" osservabili.

Mourigal, l'ex borsista post-dottorato Joseph Paddison e lo studente laureato Marcus Daum hanno pubblicato le loro osservazioni sulla rivista Fisica della natura di lunedi, 5 dicembre 2016. Hanno collaborato con i colleghi dell'Università del Tennessee e dell'Oak Ridge National Laboratory. Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Sogni di informatica quantistica

Questo massiccio entanglement "spettrale" rende un sistema di elettroni un "liquido" con spin quantistico. Il termine non è inteso nel senso quotidiano, come in acqua. Qui, descrive la natura collettiva degli spin degli elettroni nel cristallo.

"In un giro 'liquido, ' le direzioni delle rotazioni non sono allineate ordinatamente, ma frenetico, anche se gli spin sono interconnessi, considerando che in una rotazione "solida" le direzioni di rotazione hanno un'organizzazione ordinata, " ha detto Mourigal.

Se la scoperta è valida, potrebbe aprire una porta a centinaia di materiali liquidi a spin quantistico ancora sconosciuti che i fisici dicono debbano esistere secondo la teoria e le equazioni matematiche. In un lontano futuro, nuovi materiali quantistici potrebbero diventare, per gli standard odierni, pietre magiche virtuali nelle mani degli ingegneri informatici quantistici.

Il successo del cristallo di itterbio di Pechino?

Il cristallo di itterbio è stato sintetizzato per la prima volta un anno fa da scienziati in Cina, dove il governo di Pechino ha investito molto nella speranza di creare materiali quantistici sintetici con nuove proprietà. Sembra che ora potrebbero esserci riusciti, disse Mourigal, un assistente professore presso la School of Physics della Georgia Tech.

"Immagina uno stato della materia in cui questo entanglement non coinvolge due elettroni ma coinvolge, tre, cinque, 10 o 10 miliardi di particelle tutte nello stesso sistema, " Mourigal ha detto. "Si può creare un molto, stato della materia molto esotico basato sul fatto che tutte queste particelle sono intrecciate tra loro. Non ci sono più singole particelle, ma un enorme insieme di elettroni che agisce collettivamente."

Uno dei pochi liquidi con spin quantistico apparente osservati in precedenza si trova in un cristallo naturale chiamato herbertsmithite, una pietra verde smeraldo trovata nel 1972 in una miniera in Cile. Prende il nome dal mineralogista Herbert Smith, morto quasi 20 anni prima della scoperta.

I ricercatori hanno osservato la sua apparente natura liquida di spin nel 2012 dopo che gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology sono riusciti a riprodurre un pezzo purificato del cristallo nel loro laboratorio.

Enciclopedia dei liquidi spin

Quella scoperta iniziale fu solo l'inizio di un'Odissea. A causa della sua composizione chimica, herbertsmithite produce un solo schema di entanglement. La matematica fisica dice che devono esserci miriadi di più.

"Trovare herbertsmithite è stato come dire, 'gli animali esistono.' Ma ci sono così tante diverse specie di animali, o mammiferi, o pesce, rettili e uccelli, " disse Mourigal. "Ora che ne abbiamo trovato uno, stiamo cercando diversi tipi di liquidi per la centrifuga."

I fisici sperimentali più spin liquidi confermano, i fisici più teorici potranno usarli per piegare le loro menti intorno alla fisica quantistica. "È importante creare l'enciclopedia di loro, " disse Mourigal. "Questo nuovo cristallo potrebbe essere solo il nostro secondo o terzo ingresso."

Cosa ha rivelato lo scattering di neutroni

I fisici dell'Università del Tennessee sono riusciti a replicare il cristallo di itterbio originale, e Mourigal lo hanno esaminato all'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), dove è stato raffreddato ad una temperatura di -273,09 gradi Celsius (0,06 gradi Kelvin).

Il raffreddamento ha quasi rallentato il movimento naturale degli atomi, che ha permesso ai ricercatori di osservare la danza degli spin degli elettroni attorno agli atomi di itterbio (Yb) nel cristallo YbMgGaO4. Hanno usato un potente magnete superconduttore per allineare gli spin in modo ordinato per creare un punto di partenza per le loro osservazioni.

"Poi abbiamo rimosso il campo magnetico, e che tornino al loro modo speciale di dimenarsi, " Ha detto Mourigal. Il suo team ha effettuato le osservazioni presso l'ORNL Spallation Neutron Source, una struttura per gli utenti dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. SNS ha circa la potenza e le dimensioni di un supercollider di particelle, e ha permesso agli scienziati di osservare il concerto degli spin degli elettroni bombardandoli con neutroni.

Normalmente, quando un elettrone inverte il suo spin, i ricercatori si aspetterebbero che crei una reazione a catena ordinata, provocando un'onda che attraversa il cristallo. L'onda di rotazioni di elettroni che si capovolge in sequenza potrebbe sembrare qualcosa come i fan di una partita di calcio in piedi e seduti di nuovo per far girare un'onda intorno allo stadio.

Ma è successo qualcosa di strano. "Questo tipo confuso di onda di rotazione si è rotto in molte altre onde, perché tutto è collettivo, tutto è impigliato, " ha detto Mourigal. "Era un continuum di eccitazioni, ma scomponendo su molti elettroni contemporaneamente."

Era qualitativamente simile a quanto osservato utilizzando la stessa tecnica su herbertsmithite.

Ciambella di topologia del premio Nobel

Per autenticare le osservazioni fatte dal team di Mourigal, i fisici teorici dovranno sgretolare i dati con metodi che, in parte, affidarsi alla topologia, un focus del Premio Nobel 2016 per la Fisica. Mourigal pensa che ci siano possibilità che passino l'appello. "A prima vista, questo materiale sta urlando, 'Sono un liquido di spin quantistico, '" Egli ha detto.

Ma deve essere sottoposto a una serie di anni di severi test matematici. I fisici teorici avvolgeranno i dati attorno a una "ciambella" matematica per confermare se si tratta o meno di un liquido con spin quantistico.

"Questo significa seriamente, " disse Mourigal. "Come esercizio mentale matematico, diffondono virtualmente il liquido di rotazione attorno a una forma di ciambella, e il modo in cui risponde all'essere su una ciambella ti dice qualcosa sulla natura di quel liquido rotante."

Sebbene le particelle aggrovigliate sembrino sfidare lo spazio e il tempo, la forma dello spazio che occupano influenza la natura del modello di entanglement.

La possibilità di un liquido con spin quantistico è stata dimostrata per la prima volta negli anni '30, ma usando solo atomi posti in linea retta. Da allora, i fisici hanno cercato nei decenni materiali che li contenessero.