I fisici hanno identificato un nuovo stato della materia il cui ordine strutturale opera secondo regole più allineate con la meccanica quantistica rispetto alla teoria termodinamica standard. In un materiale classico chiamato spin ice artificiale, che in certe fasi appare disordinato, il materiale è effettivamente ordinato, ma in forma "topologica".

"La nostra ricerca mostra per la prima volta che i sistemi classici come il ghiaccio artificiale possono essere progettati per dimostrare fasi ordinate topologiche, che prima si trovavano solo in condizioni quantistiche, ", ha affermato il fisico del Los Alamos National Laboratory Cristiano Nisoli, leader del gruppo teorico che ha collaborato con un gruppo sperimentale presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, guidato da Peter Schiffer (ora alla Yale University).

I fisici generalmente classificano le fasi della materia come ordinate, come il cristallo, e disordinato, come i gas, e lo fanno in base alla simmetria di tale ordine, disse Nisoli.

"La dimostrazione che questi effetti topologici possono essere progettati in un sistema di ghiaccio artificiale apre le porte a una vasta gamma di possibili nuovi studi, " ha detto Schiffer.

Il materiale specializzato ha mantenuto livelli di energia sconcertanti negli esperimenti

Nella nuova ricerca, il team ha esplorato una particolare geometria del ghiaccio artificiale, chiamato Shakti spin ice. Sebbene questi materiali siano teoricamente progettati, questa volta, la scoperta del suo esotico, le proprietà fuori equilibrio procedevano dagli esperimenti alla teoria.

Esecuzione della caratterizzazione mediante microscopia elettronica a fotoemissione presso la sorgente di luce avanzata del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, Il team di Schiffer ha rivelato qualcosa di sconcertante:a differenza di altri spin ice artificiali, che potevano raggiungere il loro stato di bassa energia quando la temperatura veniva ridotta in successivi quench, Il ghiaccio rotante Shakti è rimasto ostinatamente allo stesso livello di energia. "Il sistema si blocca in un modo che non può riorganizzarsi, anche se un riarrangiamento su larga scala gli consentirebbe di cadere in uno stato energetico inferiore, " ha detto Schiffer.

Chiaramente, qualcosa si stava conservando, ma nulla appariva come un candidato ovvio in un materiale concepito artificialmente per fornire un'immagine disordinata di spin.

Fare marcia indietro per vedere il quadro generale

Allontanandosi da un'immagine di spin e concentrandosi su una descrizione emergente delle eccitazioni del sistema, Nisoli ha descritto uno stato a bassa energia che potrebbe essere mappato esattamente in un celebre modello teorico, il "modello di copertura dimer, " le cui proprietà topologiche erano state riconosciute in precedenza. Quindi, i dati dell'esperimento hanno confermato la conservazione della carica topologica e quindi una lunga durata delle eccitazioni.

"Lo trovo molto intrigante perché di solito i quadri teorici si spostano dalla fisica classica alla fisica quantistica. Non così con l'ordine topologico, " ha detto Nisoli.

Successo collaborativo

Gli esperimenti fisici sono stati eseguiti dal team di Schiffer presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e sono stati finanziati dall'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. La cinetica del materiale è stata studiata in tempo reale e nello spazio reale presso l'Advanced Light Source.