Raffreddare un materiale a temperature sufficientemente basse e cercherà una qualche forma di ordine collettivo. Aggiungere la meccanica quantistica o limitare la geometria e gli stati della materia che emergono possono essere esotici, compresi gli elettroni i cui spin si dispongono in spirali, girandole, o cristalli.

In una recente coppia di pubblicazioni in Comunicazioni sulla natura , team guidati da Thomas F. Rosenbaum del Caltech, professore di fisica e titolare della cattedra presidenziale Sonja e William Davidow, riportano come hanno combinato campi magnetici e grandi pressioni non solo per indurre questi stati a temperature ultra-basse, ma anche per spingerli tra tipi in competizione di ordine quantistico.

Rosenbaum è un esperto della natura quantomeccanica dei materiali:la fisica dell'elettronica, magnetico, e materiali ottici a livello atomico, che si osservano meglio a temperature prossime allo zero assoluto. Nel primo dei due giornali, pubblicato a giugno e condotto da Sara Haravifard, ora alla facoltà della Duke University, il team ha spremuto una raccolta di particelle quantistiche magnetiche in una cella a pressione a temperature vicine allo zero assoluto e a campi magnetici superiori a 50, 000 volte più forte del campo terrestre, e scoprì la formazione di nuovi tipi di modelli cristallini. La geometria di questi modelli di cristallo non solo rivela la meccanica quantistica sottostante delle interazioni tra le particelle magnetiche, ma riguarda anche i tipi di stati collettivi ammessi per i sistemi atomici, come quelli che scorrono senza attrito.

Nel lavoro della seconda carta, pubblicato in ottobre e guidato dallo studente laureato al Caltech Yishu Wang e dallo scienziato di Argonne Yejun Feng, Rosenbaum e colleghi studiano anche come i materiali si bilanciano sul filo del rasoio tra i diversi tipi di ordine quantistico. In questo caso, però, i ricercatori si concentrano sulla relazione tra magnetismo e superconduttività - la completa scomparsa della resistenza elettrica - e su come queste proprietà si relazionano tra loro quando il materiale cambia stato sotto le pressioni ottenibili in una cella a incudine di diamante.

I ricercatori hanno utilizzato l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory per studiare le proprietà magnetiche del fosfuro di manganese (MnP) del metallo di transizione per vedere come potrebbe essere possibile manipolare l'ordine degli spin, i momenti magnetici intrinseci degli elettroni, per entrambi aumentare o sopprimere l'insorgenza della superconduttività.

La superconduttività è uno stato in un materiale in cui non c'è resistenza alla corrente elettrica e tutti i campi magnetici vengono espulsi. Questo comportamento deriva da un cosiddetto "stato quantistico macroscopico" in cui tutti gli elettroni in un materiale agiscono di concerto per muoversi in modo cooperativo attraverso il materiale senza perdita di energia.

Rosenbaum e i suoi colleghi hanno delineato uno schema a spirale dei momenti magnetici degli elettroni in MnP che potrebbe essere regolato aumentando la pressione per indurre la superconduttività. Anche in questo caso la particolare geometria del disegno magnetico ha tenuto la chiave per lo stato ultimo raggiunto dal materiale. "Gli esperimenti rivelano evidenti opportunità di trovare nuovi stati a bassa energia tramite sostituzioni di manganese e fosforo con elementi vicini della tavola periodica come cromo e arsenico. La tassonomia degli stati quantistici consentiti e la capacità di manipolarli unisce approcci tra fisica quantistica e tecnologia, "dice Rosenbaum.

La prima carta, "Cristallizzazione di superreticoli di spin con pressione e campo nel magnete stratificato SrCu2(BO3)2, " è stato pubblicato il 20 giugno, 2016. I coautori includono Daniel M. Silevitch, professore di fisica al Caltech. Il lavoro al Caltech è stato sostenuto dalla National Science Foundation. La ricerca nel secondo articolo, intitolato "Ordine magnetico a spirale e superconduttività indotta dalla pressione nei composti di metalli di transizione" e pubblicato il 6 ottobre, è stato finanziato al Caltech da un premio del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti per le scienze energetiche di base.