Fig. 1 Differenze tra magneti ordinari e liquidi spin. Ad alte temperature, gli spin - le piccole bussole di ogni elettrone spaiato nei materiali - fluttuano casualmente tra orientamenti arbitrari in entrambi i casi. (Sinistra) Negli stati magnetici convenzionali, l'ordine degli spin si allinea staticamente l'uno rispetto all'altro in modo parallelo o antiparallelo al di sotto di una certa temperatura caratteristica. (A destra) In un liquido con spin quantistico, le rotazioni non si ordinano mai a nessuna temperatura, non importa quanto sia basso, continuano a fluttuare rapidamente senza che la simmetria si rompa anche a temperatura zero assoluto (- 273 °C). Credito:Kosmas Prassides
Il carburante come la benzina è costituito da idrocarburi, una famiglia di molecole costituita interamente da carbonio e idrogeno. pigmento e colorante, carbone e catrame sono anch'essi costituiti da idrocarburi.
Questi comuni, materiali abbondanti, a volte anche associato ai rifiuti, non sono spesso considerati interessanti dal punto di vista elettronico o magnetico. Ma un gruppo di ricerca internazionale, guidato dal professor Kosmas Prassides della Tohoku University in Giappone e dal professor Matthew J. Rosseinsky dell'Università di Liverpool nel Regno Unito, ha fatto una scoperta significativa.
Il team ha recentemente scoperto come prendere tali componenti molecolari di idrocarburi, vestirli di elettroni, ognuno dei quali porta una piccola bussola, uno spin spaiato, e li impacchetta insieme come biscotti in una scatola per creare un liquido con spin quantistico, un ipotetico stato della materia a lungo cercato.
Fu nel 1973 che l'esistenza di liquidi con spin quantistico fu proposta teoricamente per la prima volta. Nei magneti convenzionali, il movimento degli spin dell'elettrone - i minuscoli magneti - si blocca durante il raffreddamento mentre si allineano parallelamente o antiparallelo l'uno all'altro (Fig. 1 a sinistra). In contrasto, gli spin in un liquido di spin quantistico non smettono mai di fluttuare, in modo casuale e forte, anche alla temperatura più bassa dello zero assoluto. Ogni singolo spin punta contemporaneamente lungo un numero infinito di direzioni ed è fortemente intrecciato con altri spin, anche quelli lontani (Fig. 1 a destra). Come tale, si prevede che questo mare di spin di elettroni ospiterà molti fenomeni esotici di interesse sia fondamentale che tecnologico.
Fig. 2 Tre molecole di idrocarburi poliaromatici indagate in questo lavoro. La molecola di fenantrene (C14H10) è costituita da tre anelli benzenici fusi in configurazione a poltrona. Le molecole picene e pentacene (C22H14) sono costituite da cinque anelli benzenici fusi in configurazione a poltrona e a zigzag, rispettivamente. Gli atomi di carbonio e idrogeno sono di colore grigio e arancione, rispettivamente. Credito:Kosmas Prassides
Però, la realizzazione sperimentale di questo stato unico della materia completamente entangled è rimasta fino ad oggi incompiuta. Nonostante una ricerca durata quattro decenni, ci sono pochissimi candidati liquidi a spin quantistico. Le opzioni attuali includono alcuni minerali inorganici di rame e alcuni sali organici, che contengono rari, elementi pesanti o tossici.
Nei risultati pubblicati in due articoli consecutivi il 24 aprile sulla rivista Chimica della natura , il team ha ideato la nuova chimica necessaria per produrre per la prima volta materiali cristallini di elevata purezza dalla reazione di idrocarburi poliaromatici (Fig. 2) con metalli alcalini.
I materiali ottenuti da idrocarburi poliaromatici (molecole con molti anelli aromatici) sono stati proposti in passato come candidati di nuovi superconduttori, materiali senza resistenza elettrica e in grado di trasportare elettricità senza perdere energia, privi di elementi tossici o rari. Però, la distruzione dei componenti molecolari nei trattamenti sintetici impiegati aveva inibito ogni progresso in questo campo.
Fig. 3 Rappresentazione schematica della struttura dell'idrocarburo ionico scoperto in questo lavoro come ospite di un liquido con spin quantistico. Il pannello di sinistra mostra gli ioni molecolari, che si dispongono in catene triangolari di condivisione dei vertici. Il pannello di destra raffigura i tubi magnetici a spirale coesistenti. I due motivi strutturali si intrecciano per dare una complessa architettura di imballaggio, come mostrato nella proiezione nel pannello centrale. Ogni ione molecolare ha uno spin (mostrato come freccia grigia). Gli spin oscillano perennemente fino a basse temperature. La figura mostra uno di un numero infinito di disposizioni di spin entangled. Credito:Kosmas Prassides
"La rimozione del blocco stradale sintetico esistente ha portato a sviluppi molto interessanti, " afferma il professor Kosmas Prassides. "Abbiamo già scoperto che alcune delle strutture dei nuovi materiali, fatte interamente di carbonio e idrogeno, la combinazione più semplice possibile - mostra proprietà magnetiche senza precedenti - comportamento del liquido di spin (Fig. 3) - con potenziali applicazioni nella superconduttività e nell'informatica quantistica".
"Ci sono voluti molti anni di lavoro per raggiungere la nostra svolta, " aggiunge il professor Matthew Rosseinsky. "Ma alla fine, siamo riusciti a sviluppare non uno, ma due percorsi di chimica complementari, che aprono la strada a una ricca varietà di nuovi materiali con proprietà ancora sconosciute."
