Concetto dell'artista raffigurante momenti magnetici con allineamenti fluttuanti di 120 gradi diversi da quelli dei loro vicini. Credito:Lilli McKinney
Il futuro della tecnologia dipende, di grande portata, su nuovi materiali, ma il lavoro di sviluppo di quei materiali inizia anni prima che se ne conosca una specifica applicazione. Stefano Wilson, un professore di materiali presso il College of Engineering della UC Santa Barbara, lavora in quel regno "molto prima", cercando di creare nuovi materiali che mostrino nuovi stati desiderabili.
Nel documento "Stato fondamentale quantistico disordinato sintonizzabile sul campo nell'antiferromagnete triangolare-reticolo NaYbO 2 , "pubblicato sulla rivista Fisica della natura , Wilson e i colleghi Leon Balents, del Kavli Institute for Theoretical Physics del campus, e Mark Sherwin, professore presso il Dipartimento di Fisica, descrivono la loro scoperta di uno "stato liquido con spin quantistico" a lungo cercato nel materiale NaYbO 2 (ossido di itterbio di sodio). Lo studio è stato condotto dallo studente di materiali Mitchell Bordelon e ha coinvolto anche gli studenti di fisica Chunxiao Liu, Marzieh Kavand e Yuanqi Lyu, e lo studente universitario di chimica Lorenzo Posthuma, nonché collaboratori del Boston College e del National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti.
A livello atomico, gli elettroni nella struttura reticolare di un materiale si comportano in modo diverso, sia individualmente che collettivamente, da quelli in altro materiale. Nello specifico, il "giro, "o il momento magnetico intrinseco dell'elettrone (simile a un magnete a barra innato) e la sua tendenza a comunicare e coordinarsi con i momenti magnetici degli elettroni vicini differisce a seconda del materiale. È noto che si verificano vari tipi di sistemi di spin e modelli collettivi di ordinamento di questi momenti , e gli scienziati dei materiali ne cercano sempre di nuovi, compresi quelli ipotizzati ma non ancora dimostrati.
"Ci sono certe momenti più classici che ti fanno sapere con un grado molto alto di certezza che la rotazione sta puntando in una particolare direzione, " Wilson ha spiegato. "In quelli, gli effetti quantistici sono piccoli. Ma ci sono alcuni momenti in cui gli effetti quantistici sono grandi, e non puoi orientare con precisione la rotazione, quindi c'è incertezza, che chiamiamo 'fluttuazione quantistica'".
Gli stati magnetici quantistici sono quelli in cui il magnetismo di un materiale è principalmente guidato da tali fluttuazioni quantistiche, generalmente derivato dal principio di indeterminazione, intrinseco ai momenti magnetici. "Così, immagini un momento magnetico, ma il principio di indeterminazione dice che non posso orientarlo perfettamente in una direzione, " ha notato Wilson.
Spiegando lo stato liquido di spin quantistico, che è stato proposto molto tempo fa ed è oggetto di questo documento, Wilson ha detto, "Nei materiali convenzionali, i momenti magnetici parlano tra loro e vogliono orientarsi l'uno rispetto all'altro per formare un modello di ordine." Nei materiali classici, questo ordine è interrotto dalle fluttuazioni termiche, quello che Wilson descrive come "solo calore dall'ambiente".
"Se il materiale è abbastanza caldo, non è magnetico, il che significa che i momenti sono tutti un po' confusi l'uno rispetto all'altro, " ha spiegato. "Una volta che il materiale si è raffreddato, i momenti iniziano a comunicare, in modo tale che la loro connessione tra loro superi le fluttuazioni termiche e formino uno stato ordinato. Questo è il magnetismo classico".
Ma le cose sono diverse nel mondo quantistico, e i momenti magnetici che fluttuano possono effettivamente essere lo "stato fondamentale" intrinseco di un materiale.
"Così, puoi chiedere se esiste uno stato magnetico in cui ai momenti è precluso il congelamento o la formazione di uno schema di ordine a lungo raggio l'uno rispetto all'altro, non da sbalzi termici, ma invece, da fluttuazioni quantistiche, " Wilson ha detto. "Le fluttuazioni quantistiche diventano più rilevanti quando un materiale si raffredda, mentre le fluttuazioni termiche aumentano man mano che si riscalda, quindi vuoi trovare un magnete che non ordini fino a quando non lo raggiungi abbastanza freddo in modo tale che le fluttuazioni quantistiche gli impediscano di ordinare mai."
Quel disordine quantistico è desiderabile perché è associato all'entanglement, la qualità della meccanica quantistica che rende possibile codificare le informazioni quantistiche. Per determinare se NaYbO2 potrebbe presentare tale caratteristica, i ricercatori hanno dovuto determinare l'intrinseco, o stato fondamentale dei momenti magnetici del materiale quando tutte le fluttuazioni termiche vengono rimosse. In questo particolare sistema, Wilson è stato in grado di determinare sperimentalmente che i momenti magnetici sono intrinsecamente in una fluttuazione, stato disordinato, confermando così che esiste uno stato quantistico disordinato.
Per trovare lo stato ipotizzato, disse Wilson, "Prima devi inserire momenti magnetici altamente quantistici in un materiale, ma il tuo materiale deve essere costruito in modo che i momenti non vogliano ordinare. Lo fai usando il principio della 'frustrazione magnetica'".
Un modo semplice per pensarlo, secondo Wilson, è immaginare un singolo triangolo nella struttura reticolare del materiale. "Diciamo che costruisco il mio materiale in modo che i momenti magnetici siano tutti situati su un reticolo triangolare, " Egli ha detto, "e parlano tutti tra loro in un modo che li porta a volersi orientare in modo antiferromagnetico, o antiparallelo, ad un altro."
In quella disposizione, ogni momento adiacente sul triangolo vuole orientare antiparallelo al suo vicino. Ma poiché ci sono un numero dispari di punti, ne hai uno in alto in un punto e uno in basso (antiparallelo al primo) nel secondo punto, il che significa che il terzo momento ha un momento orientato diversamente su ciascun lato, quindi non sa cosa fare. Tutti i momenti sono in competizione tra loro.
"Questa è frustrazione magnetica, e, come risulta, riduce la temperatura alla quale i momenti riescono finalmente a trovare una sistemazione su cui tutti sono d'accordo, " disse Wilson. "Allora, ad esempio, classicamente, la natura decide che a una certa temperatura i momenti non corrispondenti concordano sul fatto che punteranno tutti a 120 gradi l'uno rispetto all'altro. Quindi non sono tutti felici al 100%, ma è un compromesso che stabilisce uno stato ordinato".
Da li, Ha aggiunto, "L'idea è di prendere un reticolo frustrato in cui hai già soppresso lo stato ordinato, e aggiungere fluttuazioni quantistiche ad esso, che prendono il sopravvento mentre si raffredda il materiale. La frustrazione magnetica abbassa la temperatura di ordinamento in modo tale che le fluttuazioni quantistiche alla fine prendano il sopravvento e il sistema possa stabilizzarsi in uno stato di spin quantistico fondamentalmente disordinato".
Wilson ha continuato:"Questo è il paradigma di ciò che le persone stanno cercando; tuttavia, alcuni materiali possono sembrare mostrare questo stato quando in realtà, non lo fanno. Ad esempio, tutti i materiali reali hanno disordine, come disordini chimici o strutturali, e questo può anche impedire ai momenti magnetici di dialogare tra loro in modo efficace e di divenire ordinati. In tal caso, Wilson dice, "Potrebbero formare uno stato disordinato, ma è più di un congelato, o statico, stato disordinato di quanto non sia uno stato quantistico dinamico.
"Così, se ho un sistema magnetico che non ordina alle temperature più basse che posso misurare, può essere complicato cercare di capire se quello che sto misurando è un tipo di stato fluttuante intrinseco di un liquido con spin quantistico o uno stato congelato, estrinseco, stato disordinato guidato da sostanze chimiche. Se ne discute sempre".
Tra le scoperte più interessanti su questo nuovo materiale, Wilson ha detto, è che anche alla temperatura misurabile più bassa—0,005 gradi centigradi sopra lo zero assoluto—non ha ancora ordine.
"Però, in questo materiale possiamo applicare anche un campo magnetico, che spezza questa competizione generata dalla frustrazione magnetica, e poi possiamo guidarlo su ordinazione, inducendo un tipo speciale di stato antiferromagnetico, " ha aggiunto. "La ragione che è importante è perché questo stato speciale è molto delicato e un'ottima impronta digitale per quanto disordine chimico c'è nel sistema e la sua influenza sullo stato fondamentale magnetico. Il fatto che possiamo guidare questo stato guidato dal campo ci dice che lo stato disordinato che vediamo a bassa temperatura con campo magnetico zero è davvero uno stato disordinato intrinsecamente quantistico, coerente con l'essere uno stato liquido con spin quantistico."
