Nel 1973, il fisico e in seguito premio Nobel Philip W. Anderson propose uno stato bizzarro della materia:il quantum spin liquid (QSL). A differenza dei liquidi di tutti i giorni che conosciamo, la QSL in realtà ha a che fare con il magnetismo e il magnetismo ha a che fare con lo spin.

Lo spin elettronico disordinato produce QSL

Cosa rende un magnete? Era un mistero di lunga durata, ma oggi sappiamo finalmente che il magnetismo nasce da una proprietà peculiare delle particelle subatomiche, come gli elettroni. Tale proprietà si chiama "spin, " e il modo migliore, ma grossolanamente insufficiente, di pensarlo è come la trottola di un bambino.

Ciò che è importante per il magnetismo è che lo spin trasforma ciascuno dei miliardi di elettroni di un materiale in un minuscolo magnete con la propria "direzione" magnetica (pensa al polo nord e sud di un magnete). Ma gli spin degli elettroni non sono isolati; interagiscono tra loro in modi diversi fino a stabilizzarsi per formare vari stati magnetici, conferendo così al materiale di appartenenza proprietà magnetiche.

In un magnete convenzionale, gli spin interagenti si stabilizzano, e le direzioni magnetiche di ciascun elettrone si allineano. Ciò si traduce in una formazione stabile.

Ma in quello che è noto come un magnete "frustrato", gli spin dell'elettrone non possono stabilizzarsi nella stessa direzione. Anziché, fluttuano costantemente come un liquido, da cui il nome "liquid spin quantistico".

Liquidi di spin quantistico nelle tecnologie future

La cosa interessante delle QSL è che possono essere utilizzate in una serie di applicazioni. Perché sono disponibili in diverse varietà con proprietà diverse, Le QSL possono essere utilizzate nell'informatica quantistica, telecomunicazioni, superconduttori, spintronica (una variante dell'elettronica che utilizza lo spin degli elettroni invece della corrente), e una serie di altre tecnologie quantistiche.

Ma prima di sfruttarli, dobbiamo prima acquisire una solida comprensione degli stati delle QSL. Per fare questo, gli scienziati devono trovare modi per produrre QSL su richiesta, un compito che finora si è dimostrato difficile, con solo pochi materiali in offerta come candidati QSL.

Un materiale complesso potrebbe risolvere un problema complesso

Pubblicazione in PNAS , gli scienziati guidati da Péter Szirmai e Bálint Náfrádi presso il laboratorio di László Forró presso la Scuola di Scienze di Base dell'EPFL hanno prodotto e studiato con successo una QSL in un materiale molto originale noto come EDT-BCO. Il sistema è stato progettato e sintetizzato dal gruppo di Patrick Batail presso l'Université d'Angers (CNRS).

La struttura di EDT-BCO è ciò che rende possibile creare una QSL. Gli spin dell'elettrone nell'EDT-BCO formano dimeri organizzati in modo triangolare, ognuno dei quali ha un momento magnetico di spin 1/2, il che significa che l'elettrone deve ruotare completamente due volte per tornare alla sua configurazione iniziale. Gli strati di dimeri con spin 1/2 sono separati da un sottoreticolo di anioni carbossilato centrato da un bicicloottano chirale. Gli anioni sono chiamati "rotori" perché hanno gradi di libertà conformazionali e rotazionali.

L'esclusivo componente del rotore in un sistema magnetico rende il materiale speciale tra i candidati QSL, che rappresenta una nuova famiglia materiale. "Il sottile disordine provocato dai componenti del rotore introduce una nuova maniglia sul sistema di rotazione, "dice Szirmai.

Gli scienziati e i loro collaboratori hanno impiegato un arsenale di metodi per esplorare l'EDT-BCO come candidato materiale per le QSL:calcoli della teoria del funzionale della densità, misurazioni di risonanza di spin elettronico ad alta frequenza (un marchio di fabbrica del laboratorio di Forró), risonanza magnetica nucleare, e spettroscopia di spin del muone. Tutte queste tecniche esplorano le proprietà magnetiche dell'EDT-BCO da diverse angolazioni.

Tutte le tecniche hanno confermato l'assenza di ordine magnetico a lungo raggio e l'emergere di una QSL. In breve, EDT-BCO si unisce ufficialmente ai ranghi limitati di materiali QSL e ci porta un ulteriore passo avanti nella prossima generazione di tecnologie. Come afferma Bálint Náfrádi:"Al di là della superba dimostrazione dello stato QSL, il nostro lavoro è molto rilevante, perché fornisce uno strumento per ottenere materiali QSL aggiuntivi tramite molecole di rotore funzionali progettate su misura."