Non esiste un modo noto per dimostrare l'esistenza di un "liquido di spin quantistico" tridimensionale, quindi i fisici della Rice University e i loro collaboratori hanno fatto la cosa migliore:hanno mostrato che i loro singoli cristalli di cerio zirconio pirocloro avevano la stoffa giusta per qualificarsi come la prima versione 3D possibile dello stato a lungo cercato della materia.

Nonostante il nome, un liquido con spin quantistico è un materiale solido in cui la strana proprietà della meccanica quantistica, l'entanglement, assicura uno stato magnetico simile a un liquido.

In un giornale questa settimana in Fisica della natura , i ricercatori hanno offerto una serie di prove sperimentali, tra cui esperimenti cruciali di diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e esperimenti di rilassamento dello spin dei muoni presso il Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera, per sostenere la loro tesi che il cerio zirconio pirocloro, nella sua forma monocristallina, è il primo materiale che si qualifica come liquido a spin quantistico 3-D.

"Un liquido con spin quantistico è qualcosa che gli scienziati definiscono in base a ciò che non si vede, " ha detto Pengcheng Dai di Rice, autore corrispondente dello studio e membro del Center for Quantum Materials (RCQM) di Rice. "Non vedi un ordine a lungo raggio nella disposizione delle rotazioni. Non vedi disordine. E varie altre cose. Non è questo. Non è quello. Non c'è un'identificazione positiva conclusiva."

Si ritiene che i campioni del team di ricerca siano i primi del loro genere:piroclori a causa del loro rapporto 2 a 2 a 7 di cerio, zirconio e ossigeno, e monocristalli perché gli atomi al loro interno sono disposti in modo continuo, reticolo ininterrotto.

"Abbiamo fatto ogni esperimento a cui potevamo pensare su questo composto, " Dai ha detto. "(Coautore dello studio) Il gruppo di Emilia Morosan alla Rice ha svolto un lavoro sulla capacità termica per dimostrare che il materiale non subisce alcuna transizione di fase fino a 50 millikelvin. Abbiamo fatto un'attenta cristallografia per mostrare che non c'è disordine nel cristallo. Abbiamo fatto esperimenti di rilassamento dello spin muonico che hanno dimostrato un'assenza di ordine magnetico a lungo raggio fino a 20 millikelvin, e abbiamo fatto esperimenti di diffrazione che hanno mostrato che il campione non ha vuoto di ossigeno o altri difetti noti. Finalmente, abbiamo fatto uno scattering anelastico di neutroni che ha mostrato la presenza di un continuum di eccitazione di spin, che potrebbe essere un segno distintivo di un liquido con spin quantistico, fino a 35 millikelvin".

Dai, professore di fisica e astronomia, accreditato il successo dello studio ai suoi colleghi, in particolare gli autori principali Bin Gao e Tong Chen e il coautore David Tam. Gao, un associato di ricerca post-dottorato Rice, ha creato i campioni di cristallo singolo in un forno a zona flottante laser presso il laboratorio del coautore della Rutgers University, Sang-Wook Cheong. Tong, un dottorato di ricerca sul riso alunno, ha aiutato Bin a eseguire esperimenti all'ORNL che hanno prodotto un continuum di eccitazione di spin indicativo della presenza di entanglement di spin che produce un ordine a corto raggio, e Tam, anche un dottorato di ricerca sul riso. alunno, ha condotto esperimenti di rotazione dello spin dei muoni al PSI.

Nonostante lo sforzo della squadra, Dai ha detto che è impossibile dire con certezza che il cerio-zirconio 227 è un liquido di rotazione, in parte perché i fisici non si sono ancora accordati su quale prova sperimentale sia necessaria per fare la dichiarazione, e in parte perché la definizione di liquido con spin quantistico è uno stato che esiste a temperatura zero assoluto, un ideale fuori dalla portata di qualsiasi esperimento.

Si ritiene che i liquidi con spin quantistico si trovino in materiali solidi composti da atomi magnetici in particolari disposizioni cristalline. La proprietà intrinseca degli elettroni che porta al magnetismo è lo spin, e gli spin degli elettroni possono puntare solo verso l'alto o verso il basso. Nella maggior parte dei materiali, i giri sono mescolati a caso come un mazzo di carte, ma i materiali magnetici sono diversi. Nei magneti sui frigoriferi e all'interno delle macchine per la risonanza magnetica, gli spin percepiscono i loro vicini e si organizzano collettivamente in una direzione. I fisici chiamano questo "ordine ferromagnetico a lungo raggio, " e un altro importante esempio di ordine magnetico a lungo raggio è l'antiferromagnetismo, dove gli spin si dispongono collettivamente in una ripetizione, sottosopra, modello su-giù.

"In un solido con una disposizione periodica di rotazioni, se sai cosa ci fa un giro qui, puoi sapere cosa sta facendo un giro molti, molte ripetizioni via a causa dell'ordine a lungo raggio, ", ha affermato il fisico teorico di Rice e coautore dello studio Andriy Nevidomskyy, professore associato di fisica e astronomia e membro RCQM. "In un liquido, d'altra parte, non esiste un ordine a lungo raggio. Se guardi due molecole d'acqua a un millimetro di distanza, Per esempio, non c'è nessuna correlazione. Tuttavia, a causa dei loro legami idrogeno-idrogeno, possono ancora avere una disposizione ordinata a distanze molto brevi con le molecole vicine, che sarebbe un esempio di ordine a corto raggio."

Nel 1973, Il fisico premio Nobel Philip Anderson ha proposto l'idea di liquidi con spin quantistico basandosi sulla realizzazione che quella disposizione geometrica degli atomi in alcuni cristalli potrebbe rendere impossibile agli spin entangled di orientarsi collettivamente in disposizioni stabili.

Come ha giustamente descritto lo scrittore scientifico Philip Ball nel 2017, "Immaginate un antiferromagnete, in cui gli spin adiacenti preferiscono essere orientati in senso opposto, su un reticolo triangolare. Ogni spin ha due vicini più vicini in un triangolo, ma l'allineamento antiparallelo non può essere soddisfatto per tutto il trio. Una possibilità è che il reticolo di spin si congeli in uno stato "vetroso" disordinato, ma Anderson ha mostrato che la meccanica quantistica consente la possibilità di fluttuazioni di spin anche allo zero assoluto (temperatura). Questo stato è chiamato liquido di spin quantistico, e Anderson in seguito ha suggerito che potrebbe essere collegato alla superconduttività ad alta temperatura".

La possibilità che i liquidi di spin quantistico possano spiegare la superconduttività ad alta temperatura ha suscitato un interesse diffuso tra i fisici della materia condensata sin dagli anni '80, e Nevidomskyy ha affermato che l'interesse è ulteriormente aumentato quando è stato "suggerito che alcuni esempi di cosiddetti liquidi di spin quantistico topologici potrebbero essere suscettibili di costruire qubit" per il calcolo quantistico.

"Ma credo che parte della curiosità sui liquidi con spin quantistico sia che è riemerso in molte incarnazioni e proposte teoriche, " ha detto. "E anche se abbiamo modelli teorici dove sappiamo, per un fatto, che il risultato sarà uno spin liquido, trovare un materiale fisico reale che soddisfi tali proprietà ha, finora, dimostrato molto difficile. Non c'è consenso in campo, fino ad ora, che qualsiasi materiale, 2-D o 3-D, è un liquido di spin quantistico."