Credito:gruppo SQM, Laboratorio di fisica dei solidi, Orsay, Univ. Parigi-Saclay.
A temperature sufficientemente basse, i sistemi magnetici di solito diventano cristalli solidi. Un noto fenomeno attraverso il quale ciò avviene è il ferromagnetismo, si verifica quando tutti i momenti elementari o gli spin interagiscono su scala atomica (cioè, la cosiddetta interazione di Heisenberg) e si allineano in una direzione. Il ferromagnetismo è alla base del funzionamento di diversi oggetti di uso quotidiano, comprese le bussole, magneti da frigo e dischi rigidi.
In alcuni casi, momenti e spin vicini possono essere anti-allineati per minimizzare l'energia di interazione della coppia. Quando un reticolo ha una geometria triangolare, però, questa minimizzazione a coppie diventa impossibile, dando origine a un fenomeno noto come "frustrazione." La frustrazione sembra essere uno strumento unico per sconfiggere i paradigmi del magnetismo classico e far emergere stati quantistici più esotici.
I fisici stanno conducendo studi volti a determinare lo stato fondamentale dei magneti quantistici frustrati ormai da diversi decenni, poiché ciò potrebbe avere importanti implicazioni per la fisica della materia condensata. Basandosi su questi studi precedenti, i ricercatori dell'Università Paris-Saclay e di altre istituzioni in Francia hanno recentemente condotto un esperimento volto a svelare lo stato fondamentale dell'archetipo del kagome quantistico ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 .
"Su un reticolo triangolare, gli spin sarebbero classicamente ordinati con un angolo di 120 gradi, il miglior compromesso in quel contesto frustrante, "Philippe Mendels, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Negli anni '70 Phil Anderson ha proposto un'alternativa a questo miglior compromesso quando gli effetti quantistici diventano importanti, come con mezzi giri, il cosiddetto stato di legame di valenza risonante. Gli spin vicini si assemblano (si sposano) in coppie e si smontano (divorzio) per creare coppie tra nuovi partner, portando a un assemblaggio di coppie tipicamente fluttuante."
Lo stato fondamentale costantemente fluttuante teorizzato da Anderson è noto come stato di "spin liquido", poiché assomiglia allo stato osservato nei liquidi. Questo è uno stato altamente entangled con miliardi di spin, dove gli spin individuali perdono la loro identità e si fondono in uno stato collettivo macroscopico.
"L'idea dello stato liquido di spin è stata ripresa dallo stesso Anderson come seme della superconduttività ad alta temperatura scoperta negli anni '80, " ha spiegato Mendels. "Negli anni '90, la gente ha iniziato a chiedersi in quali condizioni questo stato RVB potesse essere stabilizzato negli antiferromagneti. I ricercatori hanno presto scoperto che il kagome, un reticolo a forma di stella di David composto da triangoli che condividono gli angoli, può essere la struttura ideale in cui cercare liquidi spin, in particolare usando gli spin quantistici 1/2, che sono più inclini alle fluttuazioni."
Negli ultimi decenni, molti studi si sono concentrati su due semplici domande di ricerca:se sia effettivamente possibile stabilizzare uno stato liquido di spin su un reticolo kagome, e se così fosse, qual è lo stato fondamentale più stabile raggiungibile. Le prove ora suggeriscono che è possibile ottenere uno stato liquido di spin nei reticoli di kagome, tuttavia non è chiaro quale sia lo stato più stabile realizzabile.
Struttura di Herbertsmithite. Credito:Khuntia et al.
"Mentre sul lato sperimentale, i materiali kagome sono scarsi, uno di loro, e ancora probabilmente il miglior esempio fino ad oggi, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 , è stato sintetizzato per la prima volta a metà degli anni 2000 e prodotto in forma cristallina solo negli anni 2010, " ha detto Mendels. "Questo fantastico materiale consente alla comunità del magnetismo quantistico di sfidare le previsioni teoriche, e ora aumenta la nostra attuale comprensione del problema".
Nel loro studio, che è stato presentato in Fisica della natura , Mendels e i suoi colleghi hanno studiato le proprietà magnetiche del kagome ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 stato fondamentale. Il loro obiettivo finale era scoprire a quale classe di liquidi di spin appartiene questo materiale.
"La natura non è perfetta, e sebbene sia probabilmente il miglior prototipo per l'antiferromagnete kagome, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 soffre ancora di difetti, " Mendels ha detto. "Zn e Cu sono troppo simili per rimanere dove dovrebbero idealmente per produrre un perfetto antiferromagnete spin-½ kagome. alcuni cu 2+ gli spin si localizzano davvero fuori dal reticolo kagome e oscurano le indagini, richiedendo esperimenti standard come il calore specifico per la magnetizzazione."
Nei loro esperimenti, Mendels e i suoi colleghi hanno usato la risonanza magnetica nucleare (NMR), una tecnica che consente la raccolta di osservazioni locali e che è alla base della risonanza magnetica (MRI), uno dei metodi più utilizzati per rilevare condizioni mediche. Tramite NMR a bassa temperatura, sono stati in grado di distinguere tra aree difettose e non difettose nel materiale al fine di isolare le firme uniche delle rotazioni kagome. Questa procedura alla fine ha permesso ai ricercatori di individuare caratteristiche e dinamiche specifiche in ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 .
Quando si cerca di discriminare tra diverse classi di liquidi di spin, gli scienziati devono prima cercare di capire come le coppie di spin si rompono in un modo che si adatti al quadro delineato da Anderson nelle sue teorie. Ciò significa determinare se esiste un divario tra gli stati fondamentale e quelli eccitati, che può essere più impegnativo quando si ha a che fare con una sovrapposizione di stati quantistici. Lo studio condotto da Mendels e dai suoi colleghi potrebbe essere uno dei primi passi in questa direzione.
"Studiando la suscettibilità locale, la risposta a un campo magnetico, e il modo in cui si verificano le eccitazioni quando riscaldiamo il campione da temperature prossime allo zero assoluto, mostriamo chiaramente che non c'è divario nello spettro energetico delle eccitazioni e discutiamo una certa coerenza con le recenti teorie predittive sulle eccitazioni, " disse Mendels. "Qualunque sia la conclusione finale, forniamo forti vincoli alle teorie e restringiamo la gamma di modelli possibili".
Nel loro recente lavoro, Mendels ei suoi colleghi hanno raccolto nuove preziose informazioni sugli stati e le caratteristiche dei materiali kagome. Globale, le loro scoperte suggeriscono che il kagome quantistico archetipico ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 non ospita alcun gap di spin, che è allineato con i calcoli numerici condotti da altri gruppi di ricerca. Nel futuro, questa importante osservazione potrebbe servire come base per altri studi di fisica della materia condensata, in definitiva ampliando l'attuale comprensione dei magneti quantistici frustrati.
"Uno dei nostri sogni a lungo termine è quello di produrre un'esperienza altamente frustrata, se non kagome, materiale quantistico che potrebbe essere drogato per diventare un metallo, incontrando le opinioni di Anderson su un nuovo tipo di superconduttore, " Mendels ha detto. "Lo scopo di questo lavoro è ancora più ampio, poiché la topologia nella materia condensata è diventata molto popolare dopo il premio Nobel 2016. I metalli a base di Kagome sono molto ricercati per le loro proprietà topologiche. Il nostro lavoro può aprire nuove strade di ricerca a nuovi concetti, ma può anche aiutare ad affrontare nuove sfide nella fisica fondamentale e nella scienza dei materiali".
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