Uno stato sfuggente della materia - il liquido di spin quantistico - può effettivamente essere potenziato piuttosto che soppresso dal disordine come si vede in un composto che contiene praseodimio, zirconio, e ossigeno (Pr2Zr2O7). In questo materiale, gli ioni praseodimio con momenti magnetici (frecce verdi nell'immagine a destra) occupano un reticolo di tetraedri che condividono gli angoli. La firma di un liquido di spin quantistico è la persistenza dell'intensità anelastica di scattering di neutroni per w> 0 (sinistra) vicino allo zero assoluto (temperatura). La variazione di intensità con l'aumento del campo magnetico (dal basso verso l'alto) indica che un disturbo debole può prevenire il congelamento dello spin e promuovere uno stato liquido di spin quantistico. Credito:Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Si ritiene generalmente che il disordine sia dannoso per la creazione di materiali con un magnetismo insolito o altri fenomeni quantistici. Però, un team ha scoperto che il disordine debole stabilizza sorprendentemente un raro stato quantico chiamato liquido di spin quantistico. In questo stato, le fluttuazioni degli spin elettronici persistono fino a temperature prossime allo zero assoluto. Il particolare materiale è costituito da praseodimio, zirconio, e ossigeno (Pr2Zr2O7). Il materiale contiene ioni di terre rare (Pr3+) con un numero pari di elettroni su un reticolo cristallino debolmente disordinato. Mentre il reticolo cristallino frustra il magnetismo convenzionale, il disordine debole promuove il raro stato liquido con spin quantistico.
La scoperta che un disordine debole può indurre questo stato raro apre una nuova direzione nella ricerca di un liquido con spin quantistico pratico. Questo stato della materia potrebbe essere utile come elementi costitutivi per i computer quantistici. Questi computer potrebbero essere ordini di grandezza più veloci dei computer di oggi. Questa velocità si traduce in potenza di calcolo per risolvere problemi che oggi non possono essere risolti in modo fattibile.
Un raro stato della materia chiamato liquido a spin quantistico proposto oltre 40 anni fa viene perseguito per le sue proprietà fisiche uniche. In un liquido a spin quantistico, gli spin elettronici non formano uno schema ordinato statico come nei materiali magnetici convenzionali, ma fluttuano in modo coordinato (aggrovigliato) anche a temperature estremamente basse. Ma possono esistere tali stati quantistici della materia in materiali pratici che sono inevitabilmente disordinati e le informazioni quantitative su di essi possono essere estratte da esperimenti di diffusione di neutroni?
Per affrontare tali questioni, un team di ricercatori guidati dalla Johns Hopkins University ha studiato un ossido di pirocloro con la formula chimica Pr2Zr2O7. Il magnetismo convenzionale è frustrato dalla geometria del reticolo del pirocloro quando gli ioni magnetici occupano una posizione specifica nel reticolo cristallino e questo può portare a stati magnetici esotici. Combinando la sintesi allo stato solido, crescita monocristallina di alta qualità, e scattering avanzato di neutroni, questa ricerca ha svelato la presenza di un liquido con spin quantistico in Pr2Zr2O7.
I dati anelastici di scattering di neutroni mostrano la firma di questo raro stato in cui una banda di (anelastico, w> 0) l'intensità di dispersione persiste a temperature prossime allo zero assoluto. Questa ricerca punta a un nuovo paradigma che a livelli appropriati, un debole disordine strutturale può effettivamente promuovere la formazione di un liquido di spin quantistico con spin elettronici entangled. Questa capacità di manipolare e indurre il magnetismo quantistico nonostante il disordine potrebbe aprire la strada a materiali nuovi e più pratici con lo sfuggente liquido di spin quantistico per applicazioni che includono l'informatica quantistica.
