In un lavoro pubblicato su Lettere di revisione fisica , scienziati di RIKEN in Giappone hanno scoperto nuove interessanti proprietà magnetiche di un tipo di materiale noto come "ghiaccio con spin quantistico". Questi materiali dimostrano proprietà interessanti in quanto si comportano come "magneti frustrati", sistemi che possono stabilirsi in vari stati magnetici a causa della loro speciale geometria. Una proprietà importante di questi materiali è che hanno monopoli virtuali, particelle che sono nord o sud ma non come i tipici magneti, che hanno invariabilmente sia un polo nord che un polo sud confinati insieme.
Utilizzando simulazioni numeriche, il gruppo ha mostrato come un campo magnetico potrebbe essere utilizzato per controllare le proprietà dei poli nord e sud, che sono frazionati dai momenti magnetici degli elettroni, su un magnete frustrato chiamato ghiaccio di spin quantistico.
Il gruppo ha proposto per la prima volta un modello per il ghiaccio con spin quantistico, il ghiaccio con spin basato su proprietà quantistiche, nel 2010 al fine di descrivere le proprietà magnetiche a bassa energia dei piroclori magnetici delle terre rare, un tipo di minerale che mostra proprietà fisiche interessanti. Nel 2012, esperimenti hanno mostrato che questo modello era valido. Questo sistema include uno stato liquido con spin quantistico in cui gli spin - la proprietà degli elettroni che portano a proprietà magnetiche - non possono ordinare e congelarsi dal movimento di punto zero, un tipo di movimento consentito anche a temperatura zero in meccanica quantistica, dei loro monopoli. Poiché le cariche monopolistiche sono soggette a una legge di conservazione, il moto dei poli nord e sud influenza direttamente la direzione dei momenti magnetici nel sistema. Inoltre, le cariche elettriche non sono trasportate da questi monopoli, e quindi la corrente unipolare non è accompagnata da una corrente elettrica che porterebbe ad una grande perdita di energia attraverso il calore Joule. "A causa di ciò, "dice Shigeki Onoda, il capogruppo, "La corrente unipolare offre un modo potenzialmente efficiente di controllare i magneti senza perdite".
Attraverso questo lavoro, i ricercatori hanno rivelato che ci sono transizioni successive dallo stato liquido con spin quantistico se un campo magnetico viene applicato in una direzione speciale lungo la quale gli strati di reticolo di kagome e gli strati di reticolo triangolare sono impilati uno sopra l'altro. Primo, la magnetizzazione del sistema sale dolcemente ad un valore due terzi del valore massimo nello stato liquido di spin quantistico, e poi rimane a quel livello in una gamma finita dell'intensità del campo, che è chiamato plateau di magnetizzazione dei 2/3. In questo stato di altopiano, il moto di punto zero dei monopoli sono spazialmente confinati e localizzati, e quindi questo stato non può ospitare una corrente monopolare coerente. Però, all'aumentare della forza del campo magnetico, la magnetizzazione del materiale alla fine ricomincia a salire e contemporaneamente, le cariche monopolari diventano sproporzionate e mostrano una superfluidità. Questo è un analogo magnetico di un supersolido in elio 4, dove gli atomi mostrano sia una distribuzione spaziale non uniforme che una superfluidità, che supporta corrente senza attrito e quindi senza dissipazione, a temperatura estremamente bassa. La fase supersolida unipolare sopravvive finché la magnetizzazione non si satura al valore massimo.
Secondo Onoda, "Il nostro lavoro indica che la conduttività associata alla corrente monopolare può essere sostanzialmente controllata applicando un campo magnetico al ghiaccio con spin quantistico e che è possibile ospitare una corrente monopolare senza dissipazione nella fase supersolida monopolare. I nostri risultati potrebbero anche aprire una nuova strada per il controllo efficiente del magnetismo per una gamma di potenziali applicazioni come i dispositivi di memoria."
