Il fisico della Rice University Qimiao Si ha iniziato a mappare la criticità quantistica più di un decennio fa, e ha finalmente trovato un viaggiatore in grado di attraversare l'ultima frontiera.

Il viaggiatore è una lega di cerio palladio e alluminio, e il suo viaggio è descritto in uno studio pubblicato online questa settimana in Fisica della natura da Si, un fisico teorico e direttore del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), e colleghi in Cina, Germania e Giappone.

La mappa di Si è un grafico chiamato diagramma di fase, uno strumento che i fisici della materia condensata usano spesso per interpretare cosa succede quando un materiale cambia fase, come quando un solido blocco di ghiaccio si scioglie in acqua liquida.

Le regioni sulla mappa di Si sono aree in cui gli elettroni seguono diversi insiemi di regole, e il documento descrive come i ricercatori hanno utilizzato la disposizione geometrica degli atomi nella lega in combinazione con varie pressioni e campi magnetici per alterare il percorso della lega e portarla in una regione in cui i fisici sono stati in grado solo di speculare sulle regole che governano il comportamento degli elettroni .

"Questo è l'angolo, o porzione, di questa road map a cui tutti vogliono davvero accedere, "Si ha detto, che punta al lato superiore sinistro del diagramma di fase, in alto sull'asse verticale contrassegnato con G. "La comunità ha richiesto uno sforzo enorme per esaminare materiali candidati che hanno la caratteristica di frustrazione geometrica, che è un modo per realizzare questa grande G."

La frustrazione deriva dalla disposizione degli atomi di cerio nella lega in una serie di triangoli equilateri. La disposizione reticolare di kagome è così chiamata per la sua somiglianza con i modelli nei tradizionali cesti di kagome giapponesi, e la disposizione triangolare assicura che giri, gli stati magnetici degli elettroni, non possono organizzarsi come farebbero normalmente in determinate condizioni. Questa frustrazione fornì una leva sperimentale che Si e i suoi collaboratori poterono usare per esplorare una nuova regione del diagramma di fase in cui il confine tra due stati ben studiati e ben compresi, uno segnato da una disposizione ordinata degli spin elettronici e l'altro da un disordine —diverso.

"Se inizi con un ordine, schema antiferromagnetico di spin in un up-down, disposizione su-giù, ci sono diversi modi per ammorbidire questo schema rigido delle rotazioni, " disse Si, il Professore Harry C. e Olga K. Wiess nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della Rice. "Un modo è attraverso l'accoppiamento a uno sfondo di elettroni di conduzione, e mentre cambi le condizioni per migliorare questo accoppiamento, i giri diventano sempre più confusi. Quando il rimescolamento è abbastanza forte, il modello ordinato è distrutto, e ti ritrovi con una fase non ordinata, una fase paramagnetica."

I fisici possono tracciare questo viaggio dall'ordine al disordine come una linea su un diagramma di fase. Nell'esempio sopra, la linea comincerebbe in una regione contrassegnata con "AF" per la fase antiferromagnetica, e continuare attraverso un confine in una regione vicina contrassegnata con "P" per paramagnetico. L'attraversamento del confine è il "punto critico quantistico" in cui miliardi e trilioni di elettroni agiscono all'unisono, adeguando le loro posizioni per conformarsi alle regole del regime in cui sono appena entrati.

Si è uno dei principali sostenitori della criticità quantistica, un quadro teorico che cerca di descrivere e prevedere il comportamento dei materiali quantistici in relazione a questi punti critici e cambiamenti di fase.

"Ciò che fa la frustrazione geometrica è estendere il processo in cui l'ordine di rotazione diventa sempre più fragile in modo che non sia più solo un punto che il sistema attraversa sulla via del disordine, " ha detto. "In effetti, quel punto si divide in una regione separata, con confini distinti su entrambi i lati."

Si ha detto che la squadra, che includeva gli autori corrispondenti e i partner RCQM Frank Steglich del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids a Dresda, Germania e Peijie Sun dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino, hanno eseguito esperimenti che hanno fornito la prova che la lega di alluminio cerio-palladio subisce due attraversamenti di frontiera.

I fisici hanno condotto numerosi esperimenti per vedere come si comportano vari materiali nella fase ordinata in cui la lega ha iniziato il suo viaggio e nella fase disordinata in cui è terminata, ma Si ha detto che questi sono i primi esperimenti per tracciare un percorso attraverso la fase intermedia che è consentito da un alto grado di frustrazione geometrica.

Ha detto che le misurazioni delle proprietà elettroniche della lega mentre attraversava la regione non potevano essere spiegate dalle teorie tradizionali che descrivono il comportamento dei metalli, il che significa che la lega si è comportata come un metallo "strano" nel territorio del mistero.

"Il sistema ha agito come una specie di liquido rotante, anche se metallico, " Egli ha detto.

Si ha affermato che i risultati dimostrano che la frustrazione geometrica può essere utilizzata come principio di progettazione per creare metalli strani.

"Questo è significativo perché le insolite eccitazioni elettroniche nei metalli strani sono anche le proprietà esotiche sottostanti di altri materiali quantistici fortemente correlati, compresi la maggior parte dei superconduttori ad alta temperatura, " Egli ha detto.