Le persone non sono le uniche ad essere occasionalmente frustrate. Alcuni cristalli mostrano anche frustrazioni. Lo fanno ogni volta che i loro magneti elementari, gli spin magnetici, non può allinearsi correttamente. Cesio rame cloruro (Cs ₂ CuCl ₄ ) - o CCC in breve - è un ottimo esempio di materiali frustrati. In questo cristallo, gli atomi di rame magnetico risiedono su un reticolo triangolare e cercano di allinearsi in modo antiparallelo l'uno all'altro. In un triangolo, questo non funziona, però. Questa frustrazione geometrica sfida i fisici. Dopotutto, promette la scoperta di nuovi fenomeni magnetici che potrebbero essere utilizzati anche per i computer quantistici in futuro. Per approfondire e comprendere le basi sottostanti, fisici dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Germania, supportato da colleghi giapponesi e americani, ora può controllare l'accoppiamento magnetico utilizzando un metodo di misurazione elegante.

"Il nostro obiettivo è chiarire in dettaglio i complessi processi quantistici nei cristalli geometricamente frustrati, " spiega il Dr. Sergei Zvyagin del Laboratorio di Alta Campo Magnetico di Dresda presso l'HZDR. Le teorie sul comportamento magnetico dei cristalli come il CCC abbondano. Ma finora, sono mancati esperimenti sofisticati per testare queste teorie sull'oggetto stesso. A tal fine, è utile cambiare deliberatamente la forza delle interazioni tra gli atomi magnetici.

I fisici in molti laboratori spesso prendono una strada noiosa:producono cristalli con frustrazione geometrica in una composizione chimica leggermente diversa. Questo cambia l'interazione magnetica tra i magneti elementari, ma a volte anche, involontariamente, la struttura cristallina. Zvyagin ha lasciato questo laborioso, percorso puramente chimico verso una conoscenza più profonda. Anziché, ha usato alte pressioni. In queste condizioni, la forza dell'accoppiamento degli spin magnetici può essere modificata quasi continuamente.

"Con il nuovo metodo, possiamo controllare i parametri di accoppiamento all'interno del cristallo e contemporaneamente misurare gli effetti sulle proprietà magnetiche, " dice Sergei Zvyagin. Ha ricevuto i cristalli CCC per i suoi esperimenti dal gruppo del Dr. Hidekazu Tanaka al Tokyo Institute of Technology. Con una lunghezza del bordo di pochi millimetri e la loro scintillante traslucenza arancione, ricordano più brillanti gemme di granato che cristalli artificiali coltivati ​​in laboratorio.

Anche in Giappone, alla Tohoku University di Sendai, Zvyagin e i suoi colleghi hanno posizionato i cristalli in una pressa ad alta pressione con pistoni in ossido di zirconio ad alta resistenza. I ricercatori hanno gradualmente aumentato la pressione a circa due gigapascal, una pressione simile a quella esercitata dal peso di un'auto su una superficie delle dimensioni di una mina colorata.

"Sotto questa pressione, le distanze tra gli atomi cambiavano molto poco, " dice Zvyagin. "Ma le proprietà magnetiche del cristallo hanno mostrato un cambiamento drastico." I ricercatori sono stati in grado di misurare questi cambiamenti direttamente usando la risonanza di spin elettronico (ESR). Hanno determinato la trasmittanza per la luce (o più precisamente, microonde) in un campo magnetico esterno molto forte fino a 25 Tesla, circa mezzo milione di volte più forte del campo magnetico terrestre. Inoltre, il cristallo doveva essere congelato a -271 gradi Celsius, quasi allo zero assoluto, per evitare effetti di disturbo causati dal calore.

Queste misurazioni in un forte campo magnetico esterno hanno rivelato le proprietà magnetiche molto insolite del materiale. I ricercatori sono stati in grado di variare la forza dell'accoppiamento tra spin magnetici vicini modificando la pressione. Ulteriori misurazioni utilizzando un metodo aggiuntivo dalla ricerca sui materiali, la tecnica dell'oscillatore a diodo tunnel (TDO), hanno completato questi risultati. Le misurazioni del TDO sono state eseguite, anche ad alte pressioni e in forti campi magnetici, presso la Florida State University di Tallahassee.

Inoltre, Zvyagin e i suoi colleghi hanno trovato prove che il CCC ad alta pressione mostra una cascata di nuove fasi con un campo magnetico crescente, assente a pressione zero. "Grazie a queste misurazioni, ora siamo un passo avanti verso una migliore comprensione della varietà di queste fasi, "dice il professor Joachim Wosnitza, capo del laboratorio di alto campo magnetico di Dresda.

"L'esatta identificazione di queste fasi è uno dei nostri prossimi obiettivi, " dice Zvyagin. In futuro, intende determinare le strutture esatte dei suoi cristalli CCC mediante diffusione di neutroni. Per questi piani, apprezza le eccellenti condizioni di ricerca offerte dall'HZDR con la sua fitta rete internazionale. "Per me, è un luogo ideale per il mio interesse per la ricerca fondamentale, " dice il fisico. "E se comprendiamo i processi quantistici in questi cristalli con una geometria frustrata, potrebbero anche emergere applicazioni”.

Anche Joachim Wosnitza vede un grande potenziale nelle proprietà magnetiche esotiche di questi cristalli. "Si potrebbero immaginare sistemi quantistici di lunga durata in cui gli spin magnetici possono essere utilizzati in modo controllato, " dice Wosnitza. "Non si può ancora prevedere se questo porterà a un computer quantistico o a un sensore speciale, tuttavia." La strada per tali applicazioni potrebbe essere ancora molto lunga. Ma con le loro misurazioni di successo, i ricercatori dell'HZDR non hanno motivo di essere frustrati, a differenza dei loro campioni di cristallo.