Molti fenomeni fisici possono essere modellati con una matematica relativamente semplice. Ma, nel mondo quantistico esiste un vasto numero di fenomeni intriganti che emergono dalle interazioni di più particelle - "molti corpi" - che sono notoriamente difficili da modellare e simulare, anche con computer potenti. Esempi di stati quantistici a molti corpi senza analoghi classici includono la superconduttività, superfluidi, condensazione di Bose-Einstein, plasmi di quark-gluoni ecc. Di conseguenza, molti modelli "quantici a molti corpi" rimangono teorici, con scarso supporto sperimentale. Ora, scienziati dell'EPFL e del Paul Scherrer Institut (PSI) hanno realizzato sperimentalmente un nuovo stato quantistico a molti corpi in un materiale che rappresenta un famoso modello teorico chiamato modello "Shastry-Sutherland". L'opera è pubblicata in Fisica della natura .

Sebbene ci siano diversi modelli unidimensionali a molti corpi che possono essere risolti esattamente, ce ne sono solo una manciata in due dimensioni (e ancora meno in tre). Tali modelli possono essere utilizzati come fari, guidare e calibrare lo sviluppo di nuovi metodi teorici.

Il modello Shastry-Sutherland è uno dei pochi modelli 2D che ha una soluzione teorica esatta, che rappresenta l'entanglement quantistico a coppie di momenti magnetici in una struttura reticolare quadrata. Quando concepito, il modello Shastry-Sutherland sembrava un costrutto teorico astratto, ma sorprendentemente si è scoperto che questo modello è realizzato sperimentalmente nel materiale Sr2Cu(BO3)2.

Mohamed Zayed nel laboratorio di Henrik Rønnow all'EPFL e Christian Ruegg al PSI hanno scoperto che la pressione potrebbe essere usata per sintonizzare il materiale lontano dalla fase di Shastry-Sutherland in modo tale che una cosiddetta transizione di fase quantistica a un quanto completamente nuovo molti stato raggiunto il corpo.

A differenza delle classiche transizioni di fase come il ghiaccio (solido) che si scioglie in acqua liquida e poi evapora come gas, le transizioni di fase quantistiche descrivono i cambiamenti nelle fasi quantistiche alla temperatura dello zero assoluto (273,15 °C). Si verificano a causa delle fluttuazioni quantistiche che sono a loro volta innescate da cambiamenti nei parametri fisici, in questo caso la pressione.

I ricercatori sono stati in grado di identificare il nuovo stato quantistico utilizzando la spettroscopia di neutroni, che è una tecnica molto potente per studiare le proprietà magnetiche dei materiali quantistici e dei materiali tecnologici. La combinazione di spettroscopia di neutroni e alte pressioni è molto impegnativa, e questo esperimento è tra i primi a farlo per uno stato quantistico complesso.

Nel modello Shastry-Sutherland, i magneti atomici, che derivano dagli spin degli elettroni dell'atomo, sono intrecciati quantisticamente a coppie di due. I ricercatori hanno scoperto che nella nuova fase quantistica i magneti atomici appaiono impigliati quantisticamente in gruppi di quattro, i cosiddetti singoletti a placche. "Questo è un nuovo tipo di transizione di fase quantistica, e mentre ci sono stati un certo numero di studi teorici su di esso, non è mai stato studiato sperimentalmente, " afferma Rønnow. "Il nostro sistema potrebbe consentire ulteriori indagini su questo stato e sulla natura della transizione allo stato".

La necessità di alta pressione limita ciò che è sperimentalmente fattibile al momento. Però, Rønnow e Ruegg stanno costruendo un nuovo spettrometro di neutroni (CAMEA) al Paul Scherrer Institute, che sarà pronto alla fine del 2018, così come un altro allo European Spallation Source in Svezia, che diventerà operativo nel 2023. Lo stato a 4 spin nel borato di rame di stronzio sarà tra i primi esperimenti per queste nuove macchine. Come passo successivo, esperimenti che combinano pressione e campi magnetici possono dare accesso a fasi ancora sconosciute nei materiali quantistici.

"La fisica quantistica a molti corpi rimane una sfida in cui la teoria ha solo scalfito la superficie di come affrontarla, " dice Rønnow. "Metodi migliori per affrontare i fenomeni quantistici a molti corpi avrebbero implicazioni dalla scienza dei materiali alla tecnologia dell'informazione quantistica".