Utilizzando un nuovo metodo di calcolo, una collaborazione internazionale è riuscita per la prima volta a studiare sistematicamente gli effetti quantistici magnetici nel noto modello di Heisenberg del pirocloro 3-D. La scoperta sorprendente:le fasi quantistiche fisiche si formano solo per piccoli valori di spin.

Gli atomi e le molecole nei solidi cristallini sono disposti in reticoli tridimensionali regolari. Gli atomi interagiscono tra loro tramite varie forze, raggiungendo infine uno stato di minima energia. Vicino allo zero assoluto, le oscillazioni del reticolo si congelano, predominano le interazioni tra gli spin degli elettroni. Un caso particolarmente interessante si verifica quando gli spin non possono allinearsi tutti contemporaneamente per raggiungere uno stato di energia più bassa. Ciò si traduce in un sistema frustrato in cui gli spin sono quasi completamente disordinati e sono quindi indicati come spin liquid.

Struttura cristallina cubica

Uno dei modelli principali per lo studio dei magneti quantistici frustrati 3-D è il modello di Heisenberg su un reticolo di pirocloro, una semplice struttura cristallina cubica (vedi illustrazione). Tuttavia, è stato finora estremamente difficile ricavare previsioni pratiche, cioè per materiali e temperature specifici, da questo modello teorico.

Squadre dalla Germania, Giappone, Canada, e l'India hanno ora condotto congiuntamente indagini sistematiche su questo modello con l'aiuto di un nuovo metodo teorico e hanno risolto molte di queste difficoltà. Con questo nuovo metodo è possibile variare il valore di spin degli atomi del reticolo, nonché la temperatura e altri parametri di interazione, e calcolare gli intervalli di parametri in cui si verificano nuovi effetti quantistici magnetici. I calcoli sono stati eseguiti presso il Leibniz Supercomputing Center (LRZ) di Monaco di Baviera.

Effetti quantistici solo per piccoli giri

"Siamo stati in grado di dimostrare che gli effetti fisici quantistici sorprendentemente si verificano solo su intervalli di parametri molto limitati", spiega il fisico teorico Prof. Johannes Reuther dell'HZB, coautore dello studio. Questi effetti quantistici sono più pronunciati al minimo spin possibile (valore di spin ½). Però, i sistemi di spin nella struttura cristallina studiata dai team si comportano già quasi completamente come i sistemi fisici classici con valori di spin di 1,5 e superiori.

Il lavoro pubblicato approfondisce la nostra comprensione dei solidi e contribuisce al progresso sistematico della ricerca di fluidi di spin 3-D nei materiali quantistici.