Per la prima volta, i fisici presentano una teoria unificata che spiega due caratteristiche dei magneti frustrati e il motivo per cui vengono spesso visti insieme.

Quando i fisici inviano neutroni sparati attraverso un magnete frustrato, le particelle spruzzano fuori dall'altro lato in modelli caratteristici. I disegni appaiono perché, anche a basse temperature, gli atomi in un metallo frustrato oscillano a tempo l'uno con l'altro. Un modello distintivo, noto come "punto di presa, " ricorda un papillon ed è ampiamente studiato nel mondo degli spin liquidi. I punti di pizzico sono spesso accompagnati da misteriosi motivi a mezzaluna chiamati "mezze lune, " ma la fisica che lega i fenomeni non è mai stata chiarita.

Ora, i ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno rivelato che i punti di schiacciamento e le mezze lune sono la stessa cosa, semplicemente firme della stessa fisica a diversi livelli di energia. La loro teoria unificata, pubblicato il 12 ottobre 2018, come un Revisione fisica B Comunicazione rapida, è il primo a spiegare la fisica sottostante che guida i fenomeni spesso accoppiati.

"La teoria stessa è piuttosto semplice, " ha detto Han Yan, uno studente laureato in Theory of Quantum Matter Unit presso l'OIST e primo autore dello studio. "Dalla stessa teoria che ti dà il punto di pizzicamento a energia inferiore, puoi calcolare cosa succede a un'energia più alta e ottieni un paio di mezze lune."

Se ingrandisci vicino a un magnete frustrato, ogni atomo che compone il materiale sembra ruotare in modo irregolare. In realtà, però, questi atomi prendono parte a una danza splendidamente coordinata, ruotando a tempo l'uno con l'altro in modo che le loro attrattive magnetiche alla fine si annullino. Questo balletto è difficile da osservare direttamente, quindi invece, i fisici cercano indizi rivelatori che la performance si sta svolgendo.

Una tecnica sperimentale chiamata diffusione di neutroni consente agli scienziati di raccogliere questi indizi. I neutroni non portano carica elettrica, ma agiscono come una fonte localizzata di magnetismo. I singoli atomi agiscono anche come minuscoli magneti, completi dei loro poli nord e sud. Quando viene inviato sfrecciando attraverso un materiale, la velocità e la direzione di un neutrone viene espulsa dagli atomi che attraversa, e quindi è "sparso".

Il modello della dispersione dice ai fisici come si comportano gli atomi all'interno di un materiale. Ad esempio, se i neutroni si disperdono alla rinfusa, i fisici deducono che gli atomi all'interno di un materiale sono allineati casualmente. Se i neutroni si disperdono in un caratteristico papillon, deducono che gli atomi stanno volteggiando in tandem, come farebbero in un magnete frustrato.

I punti di pizzico appaiono quando un numero uguale di magneti atomici, o "gira, " stanno indicando "fuori" come puntando "dentro" in qualsiasi regione del magnete frustrato. Questo equilibrio rende il materiale non magnetico e lo mantiene a un livello minimo di energia.

Le mezze lune compaiono quando un magnete frustrato ha energia oltre questo livello minimo, e quindi viola la legge di conservazione locale che richiede un numero uguale di spin da rilevare come in. In sostanza, le mezze lune sono punti di pizzico impostati su una curva. Maggiore è la curvatura, più forte è la violazione, maggiore è l'energia utilizzata dal sistema. I ricercatori dell'OIST hanno scoperto questa relazione nei loro calcoli e poi l'hanno messa alla prova.

I ricercatori hanno testato la loro teoria unificata in un sistema simulato in cui è possibile osservare insieme i punti di schiacciamento e le mezze lune, noto come antiferro-magnete di Heisenberg su un reticolo di kagome. Hanno anche applicato le loro equazioni alle recenti osservazioni del magnete frustrato Nd2Zr2O7 e hanno scoperto che la loro teoria spiegava l'aspetto dei due modelli in applicazione, anche.

"I punti di schiacciamento e le mezze lune derivano dalla stessa fisica sottostante:uno dal rispetto della legge di conservazione locale e l'altro dal violarlo, " disse Yan. "Quando li metti insieme, formano un quadro completo della fenomenologia complessiva."

Nel futuro, la teoria unificata delle mezze lune e dei punti di schiacciamento dovrebbe rivelarsi utile sia nella fisica teorica che in quella applicata, e forse oltre.

"Da un certo punto di vista, ogni sistema di materia condensata è di per sé un universo diverso, " disse Yan. "È una grande curiosità intellettuale trovare questi universi, con le loro strane leggi di natura, ma riguarda anche la vita quotidiana. Le persone stanno cercando di identificare le leggi particolarmente utili in questi mini-universi in modo da poterle usare a nostro vantaggio".