Un po' di frustrazione può rendere la vita interessante. Questo è certamente il caso della fisica, dove la presenza di forze in competizione che non possono essere soddisfatte allo stesso tempo – nota come frustrazione – può portare a proprietà rare del materiale. Proprio come le molecole d'acqua diventano più ordinate quando si raffreddano e si congelano in cristalli di ghiaccio, gli atomi dei magneti diventano più ordinati con la diminuzione della temperatura poiché i minuscoli campi magnetici o "spin" dei singoli atomi iniziano a puntare nella stessa direzione. Fanno eccezione a questa regola i cosiddetti 'liquid spin', con gli spin che continuano a fluttuare e puntare in direzioni diverse anche a temperature molto basse. Offrono eccitanti possibilità per nuove scoperte in fisica. Gli scienziati dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno modellato un particolare liquido di spin, mostrando che il disordine può coesistere con l'ordine. Tre importanti pubblicazioni segnano le pietre miliari in questo campo di ricerca.

Primo, Il Dr. Ludovic Jaubert della Theory of Quantum Matter Unit dell'OIST ha lavorato insieme agli scienziati dell'University College di Londra e dell'Ecole Normale Supérieure di Lione per proporre un modello per la coesistenza dell'ordine magnetico e del disordine nel 2014. Simulando cosa accadrebbe quando i neutroni vengono sparati contro magneti frustrati – così chiamati a causa della forte competizione di forze tra gli spin dei singoli atomi – Jaubert e colleghi sono stati in grado di produrre mappe di diffusione dei neutroni dai colori vivaci. Se gli spin negli atomi del materiale si allineassero in modo ordinato nel magnete, ti aspetteresti di vedere punti sulle mappe noti come "picchi di Bragg", mentre con i liquidi spin ti aspetteresti di vedere forme di papillon, chiamati "punti di presa". Con loro sorpresa, gli scienziati hanno notato sia i picchi di Bragg che i punti di pizzico sulle loro mappe di diffusione dei neutroni, suggerendo che le proprietà disordinate di un liquido di spin possono esistere simultaneamente con il magnetismo ordinato.

"I liquidi di spin sono esempi di disordine magnetico. È stato molto emozionante vedere le caratteristiche di un liquido di spin in un magnete parzialmente ordinato. È davvero motivante pensare alle opportunità fondamentali che questo offre per la nostra comprensione della materia condensata, "dice Jaubert.

La seconda pietra miliare in questo campo di ricerca si è verificata all'inizio di quest'anno, quando una pubblicazione su Nature Physics mostrò che la teoria del dottor Jaubert e dei suoi collaboratori reggeva nell'osservazione sperimentale, utilizzando il materiale magnetico zirconato al neodimio (Nd2Zr2O7). "I risultati di questo esperimento confermano la teoria che il dottor Jaubert ha presentato sulla coesistenza di ordine magnetico e disordine nel 2014, "dice il dottor Owen Benton, un ex borsista post-dottorato in Theory of Quantum Matter Unit, guidato dal professor Nic Shannon.

Però, è stato necessario più lavoro per collegare questo nuovo esperimento all'idea originale di Jaubert. Per scoprire come lo zirconato di neodimio potrebbe essere ordinato e disordinato allo stesso tempo, Benton si è messo al lavoro sull'ultima pietra miliare di questa ricerca, teorizzando un modello microscopico appropriato per questo materiale magnetico. Usando il suo modello, Benton ha mostrato che lo zirconato di neodimio esiste sia in uno stato ordinato che fluttuante, rendendolo un tipo di magnete molto insolito.

Il lavoro mostra anche che lo zirconato di neodimio è sul punto di diventare un liquido con spin quantistico, uno stato raro della materia che apre una porta sul retro nel mondo quantistico. In un vero liquido a spin quantistico, gli spin di un materiale non solo fluttuerebbero attraverso molte direzioni diverse in funzione del tempo, ma punterebbero contemporaneamente in molte direzioni diverse.

"Se potessi dimostrare che esiste una cosa come un liquido con spin quantistico, sarebbe come un esempio del gatto di Schrodinger su un oggetto di grandi dimensioni, " dice Benton. Il gatto di Schrodinger è un famoso esperimento mentale in fisica in cui un gatto in una scatola sigillata con una sorgente radioattiva è sia vivo che morto allo stesso tempo. Proprio come il gatto esiste in più stati, cioè vivo e morto, contemporaneamente, questa ricerca apre la strada alla ricerca di veri magneti che si trovano in molti stati contemporaneamente.

"Questo studio dimostra anche che possiamo ottenere un quadro molto completo della fisica dello zirconato di neodimio utilizzando un modello, " afferma Benton. Ulteriori ricerche teoriche e sperimentali su questo e sui materiali correlati potrebbero rivelare fenomeni ancora più inaspettati ed emozionanti.