Lo spettrometro di spin del muone utilizzato nello studio al Paul Scherrer Institute. Il campione in esame viene posto nel criostato posto al centro, e un raggio di muoni è puntato su di esso dalla direzione posteriore sinistra. Credito:Otto Mustonen
Nel 1987, Paul W. Anderson, un premio Nobel per la fisica, proposto che la superconduttività ad alta temperatura, o perdita di resistenza elettrica, è correlato a uno stato quantistico esotico ora noto come liquido di spin quantistico. I materiali magnetici sono costituiti da magneti molto piccoli, che possono essere piccoli quanto i singoli elettroni. La forza e la direzione di questi sono descritte dal momento magnetico. Nei liquidi a spin quantistico, i momenti magnetici si comportano come un liquido e non si congelano né si ordinano nemmeno allo zero assoluto. Questi stati quantistici vengono studiati come materiali promettenti per nuovi, cosiddetti computer quantistici topologici, in cui le operazioni sono basate su stati eccitati simili a particelle trovati nei liquidi con spin quantistico. Oltre alla grande potenza di calcolo, un computer quantistico topologico è caratterizzato da un'elevata tolleranza ai guasti, che consente di aumentare le dimensioni del computer. Però, finora sono stati identificati solo pochi liquidi di spin quantistico adatti per computer quantistici topologici.
Ora, per la prima volta in assoluto, ricercatori della Aalto University, Centro brasiliano per la ricerca in fisica (CBPF), L'Università tecnica di Braunschweig e l'Università di Nagoya hanno prodotto il liquido con spin quantistico simile a un superconduttore previsto da Anderson. Questo è un passo importante verso la comprensione dei superconduttori e dei materiali quantistici. La preparazione di un liquido con spin quantistico è stata resa possibile da un nuovo modo di personalizzare le proprietà dei materiali magnetici sviluppato dai chimici dell'Università di Aalto. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
I superconduttori ad alta temperatura sono ossidi di rame in cui gli ioni di rame formano un reticolo quadrato in modo che i momenti magnetici adiacenti siano rivolti in direzioni opposte. Quando questa struttura viene disturbata modificando lo stato di ossidazione del rame, il materiale diventa superconduttore. Nella nuova ricerca ora pubblicata, le interazioni magnetiche di questa struttura quadrata sono state modificate con ioni con struttura elettronica d10 e d0, che ha trasformato il materiale in un liquido di spin quantistico.
Il reticolo quadrato magneticamente ordinato di ioni di rame. L'adattamento della struttura ha causato la formazione di liquido con spin quantistico. Modificando la struttura in modo diverso si ottiene una superconduttività ad alta temperatura. Credito:Otto Mustonen
"Nel futuro, questo nuovo metodo d10/d0 può essere utilizzato in molti altri materiali magnetici, compresi vari materiali quantistici, ", afferma il dottorando Otto Mustonen della Aalto University.
Collaborazione senza soluzione di continuità
Il rilevamento empirico di liquidi con spin quantistico è difficile e richiede un'ampia infrastruttura di ricerca.
"In questo studio abbiamo usato la spettroscopia di spin del muone. Questo metodo si basa sull'interazione di particelle elementari simili agli elettroni, conosciuti come muoni, con il materiale oggetto di studio. Il metodo può rilevare campi magnetici molto deboli nei materiali quantistici, " afferma il professor F. Jochen Litterst dell'Università tecnica di Braunschweig. Le misurazioni sono state eseguite presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera.
"Oltre alle dotazioni di prima classe, la ricerca richiede una perfetta cooperazione tra chimici e fisici, " afferma il professor Maarit Karppinen. "Avremo bisogno dello stesso approccio multidisciplinare internazionale in futuro in modo che questa ricerca sui liquidi di spin quantistico possa portarci alla realizzazione sperimentale del computer quantistico topologico".