Ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera, Romain Sibille e Nicolas Gauthier, stanno studiando un affascinante campione utilizzando neutroni presso la Spallation Neutron Source (SNS) del Department of Energy (DOE) presso l'Oak Ridge National Laboratory.

Il loro obiettivo è creare un caso osservabile di ghiaccio con spin quantistico, uno stato magnetico bizzarro trovato in una classe speciale di materiali che potrebbe portare a progressi nelle tecnologie di calcolo quantistico.

"Studiamo principalmente ossidi, che includono elementi magnetici delle terre rare, — disse Sibille. — In questo momento, stiamo studiando un campione candidato per una fase magnetica che, finora, è stato difficile da osservare:il ghiaccio con spin quantistico. Speriamo di trovarlo e dimostrarlo con le nuove capacità dello strumento HYSPEC di SNS utilizzando la polarizzazione e il supermirror di PSI".

Nel 2015, ISPETTO, SNS linea di luce 14B, ha ricevuto un nuovo array di superspecchi polarizzanti grandangolari costruito da scienziati e ingegneri del PSI. Il nuovo superspecchio consente agli utenti di eseguire analisi di polarizzazione tridimensionale delle eccitazioni di neutroni.

Gli studi sul magnetismo frustrato che utilizzano la diffusione di neutroni continuano a diventare sempre più popolari tra gli scienziati, dicono i ricercatori, in gran parte a causa della possibilità di trovare questi stati quantistici unici. Il ghiaccio di spin quantistico in particolare fa parte di una classe più ampia di fasi magnetiche, o stati fondamentali, chiamati "liquidi di spin quantistico".

Il ghiaccio rotante è una sostanza magnetica che non mostra il magnetismo convenzionale, come si vede nei tradizionali magneti a barra con i poli nord e sud dove gli elettroni si allineano in parallelo. Anziché, i momenti magnetici del materiale - o "spin" - si dispongono in stati disordinati o "frustrati" e fluttuano tra diverse configurazioni, anche in condizioni estremamente fredde quando si prevede che le particelle si congelino in posizione.

"I momenti magnetici non entrano in una fase in cui sono tutti in una determinata direzione e rimangono così, — spiegò Sibille. — Invece, il sistema entra in una fase dinamica e macroscopicamente degenerata. Ciò significa che esiste un numero molto elevato di diverse configurazioni locali dei momenti magnetici, e quel numero scala con la dimensione del campione. Lo stato fondamentale fluttua tra queste configurazioni e non entra in un ordine statico a lungo raggio".

Lo studio dei liquidi di spin quantistico è ancora un campo molto teorico perché gli strumenti necessari per osservare queste fasi sono limitati.

"Fondamentalmente, siamo quasi limitati a usare i neutroni per cercare di osservarli, " ha detto Sibille. "Il campione che stiamo usando sarà anche raffreddato a 50 milliKelvin [circa -459 ° F] - estremamente freddo. È, almeno al momento, quasi impossibile fare esperimenti a raggi X in queste condizioni".

"Con i neutroni, puoi mappare la diffusione diffusa più facilmente che con i raggi X, pure, " ha aggiunto Gauthier. "Tuttavia, quello che viene chiamato "ghiaccio di spin quantistico" è quando le fluttuazioni quantistiche consentono alle configurazioni di ghiaccio di spin di scavare tra loro, anche a temperatura zero. Ciò porta all'emergere di eccitazioni esotiche che possono essere studiate usando i neutroni. Questo è ciò che è più interessante e ciò che le persone stanno cercando intensamente in questo momento".

"Siamo molto entusiasti di essere i primi utenti PSI del supermirror, " disse Sibille. "Se funziona, è sia un caso scientifico molto interessante che un bel risultato per la collaborazione tra PSI e Oak Ridge."

I risultati della ricerca del team sono stati pubblicati sulla rivista Fisica della natura .