Talete. Credito:R. Cubitt, MALATO
Nella fisica moderna del secolo scorso, comprendere le proprietà elettroniche e le interazioni tra gli elettroni all'interno della materia è stata una grande sfida. Gli elettroni sono responsabili del legame chimico tra gli atomi e quasi tutti i fattori che caratterizzano un pezzo di materia, come il colore, trasporto di calore, conducibilità e magnetismo. Una proprietà elementare degli elettroni è lo spin, e la combinazione di spin elettronici a livello atomico può indurre un momento magnetico su certi atomi, che costituiscono il materiale. Questi momenti possono sommarsi a forze magnetiche macroscopiche.
Poiché il magnetismo è l'impronta del comportamento interattivo degli elettroni, studiarlo a livello atomico ci informa sul comportamento elettronico collettivo nell'ambiente atomico. Questo può spiegare le proprietà elettroniche osservate macroscopicamente, come la dipendenza dalla temperatura della conducibilità.
A livello atomico, gli ioni magnetici sono strettamente impaccati e quindi si influenzano a vicenda, con conseguente adozione di un ordine magnetico comune per minimizzare il loro bilancio energetico. Una leggera perturbazione porta ad un'onda di spin, per cui un'oscillazione di un momento magnetico attorno al suo asse centrale induce perturbazioni oscillanti con un leggero sfasamento sui vicini atomici. Le onde di spin vengono regolarmente osservate in materiali magnetici ordinati mediante diffusione anelastica di neutroni (INS) sugli spettrometri dell'Institut Laue-Langevin (ILL).
Transizione da un mondo classico a un mondo magnetico quantistico
Il momento magnetico è caratterizzato dal suo numero di spin. Maggiore è il numero di spin, più appropriato è confrontare il momento magnetico atomico con un magnete classico. Abbassare lo spin significa accentuarne le proprietà quantistiche; esplorando la transizione nel mondo quantistico, che è fondamentalmente diverso dal quotidiano, mondo macroscopico, è una delle sfide più emozionanti della fisica dello stato solido.
L'esempio più citato è il momento di spin -1/2 posto nell'angolo di un triangolo equidistante. Per la sua natura quantistica, uno spin può puntare solo verso l'alto o verso il basso rispetto al suo asse locale. Uno scambio magnetico tra i momenti di spin, che è di natura antiferromagnetica, li costringe ad allinearsi in modo antiparallelo tra loro. Poiché un magnete quantistico non può ordinare, piuttosto che adottare uno stato fondamentale, più stati sono ugualmente probabili (6 nel caso del triangolo), e gli spin sono in uno stato sovrapposto che puntano in più direzioni contemporaneamente.
La combinazione di triangoli equidistanti porta a una rete bidimensionale di spin. Il suo stato fondamentale, cioè la disposizione di spin con il minor costo energetico possibile, ha sfidato i teorici per decenni. Nel 1973, nobile laureato P.W. Anderson ha proposto un cosiddetto 'stato liquido con spin quantistico, ' che è concettualmente completamente diverso dalle fasi magnetiche ordinate. Anderson ha sostenuto che per un sistema triangolare, è energeticamente più favorevole che gli spin si organizzino in legami. In questi legami di valenza, gli elettroni sono quantisticamente "entangled", ' uno stato puramente meccanico quantistico. Esiste una sovrapposizione di una varietà di modelli di legame in parallelo e i legami fluttuano a causa di un principio quantomeccanico, che impone movimenti di punto zero alle particelle. Questo stato è chiamato stato Resonant Valence Bond (RVB).
Lo scattering di neutroni fornisce una prova sperimentale per lo stato RVB
Qui a ILL, due spettrometri freddi a tre assi, IN14 e IN12, contribuito nel corso di decenni alla scoperta e al dipanarsi delle correlazioni magnetiche nei superconduttori classici e non convenzionali, cristalli multiferroici e un'ampia gamma di sistemi magnetici frustrati e quantistici. Poiché entrambi gli strumenti risalgono agli anni '80, avevano bisogno di una completa ristrutturazione per poter continuare a contribuire al progresso scientifico in questi campi. Il trasferimento e la ristrutturazione del nuovo spettrometro IN12 sono stati completati nel 2012, ed entro la fine del 2014 lo spettrometro IN14 è stato sostituito dal suo successore, Talete.
Talete, Strumento a tre assi per spettroscopia a bassa energia, è uno spettrometro a tre assi a neutroni freddi di nuova generazione che si basa sui punti di forza del suo predecessore, IN14, ma utilizza un'ottica neutronica all'avanguardia. Il progetto ThALES è una collaborazione tra ILL e Charles University, Praga, ed è finanziato dal Ministero ceco della Scienza e dell'Istruzione.
Dopo aver sostituito l'IN14, ThALES è diventato il nuovo riferimento per la spettroscopia di neutroni a cristallo singolo freddo a una sorgente di neutroni allo stato stazionario come il reattore ILL. ThALES è stato completamente ottimizzato per affrontare la fisica di sistemi di elettroni altamente correlati e problemi scientifici nel campo del magnetismo quantistico. Inoltre, la flessibilità dello spettrometro è stata migliorata attraverso l'implementazione di vari elementi ottici.
Gli obiettivi principali di ThALES sono:
ThALES è stato utilizzato per effettuare misurazioni INS in un recente studio condotto da una collaborazione di scienziati, tra cui Martin Boehm degli ILL, attuale coordinatore della rete di neutroni SINE2020, finanziata dall'UE. Lo studio pubblicato su Nature, intitolato 'Evidence for a spinon Fermi surface in a triangolare reticolo quanto-spin-liquido candidato, ' ha sostenuto che l'antiferromagnete a reticolo triangolare YbMgGaO4 ha lo stato fondamentale RVB liquido a spin quantistico a lungo ricercato. Questo studio è stato il primo a utilizzare lo scattering di neutroni come mezzo per fornire prove sperimentali per lo stato RVB.
Lo sforzo sperimentale per scoprire lo stato fondamentale di RVB è notevolmente aumentato da quando P.W. Anderson ha suggerito che potrebbe spiegare il fenomeno della superconduttività in una classe di materiali che mostrano temperature di transizione particolarmente elevate tra uno stato conduttivo normale e uno superconduttivo. Però, fornire prove sperimentali dell'esistenza dello stato RVB è molto impegnativo, perché mentre un sistema ordinato magneticamente ha una chiara risposta sperimentale, lo stato RVB è caratterizzato dall'assenza di una grandezza misurabile.
A causa della mancanza di una quantità misurabile, l'approccio sperimentale di questo studio, utilizzando ThALES, selezionate prove sperimentali indirette eccitando deliberatamente lo stato fondamentale con neutroni e misurando la risposta dinamica. Secondo le aspettative teoriche, il liquido di spin eccitato si comporta esoticamente, ' il che significa che lo stato eccitato è spiegato da spinoni con proprietà molto insolite. Gli spinoni possono riorganizzare la distribuzione dei legami di valenza e viaggiare attraverso il piano triangolare con una quantità minima di energia.
In un processo di diffusione tra il neutrone e il liquido di spin, la legge di conservazione della quantità di moto totale impone la creazione di due spinoni con spin 1/2 nel liquido. Questa coppia di spinoni viaggia in direzioni opposte con una quantità totale di energia pari alla perdita di energia dei neutroni nel processo di diffusione. Utilizzando lo spettrometro ThALES, è possibile tracciare la direzione e le energie degli spinoni misurando la direzione e l'energia del neutrone che ha creato la coppia di spinoni. In questo modo, questo studio ha tracciato un panorama dinamico completo del liquido quantistico di spin nel piano triangolare, e confrontato le misurazioni con le previsioni teoriche, che ha fornito una forte evidenza dell'esistenza della fase liquida di spin in YbMgGaO4.
Questa ricerca è importante in quanto uno stato liquido della materia con spin quantistico è potenzialmente rilevante per le applicazioni dell'informazione quantistica. Inoltre, l'identificazione sperimentale di uno stato liquido con spin quantistico contribuisce notevolmente alla nostra comprensione della materia quantistica.
