Sembra un indovinello:cosa ottieni se prendi due piccoli diamanti, mettere un piccolo cristallo magnetico tra di loro e stringerli insieme molto lentamente?

La risposta è un liquido magnetico, che sembra controintuitivo. I liquidi diventano solidi sotto pressione, ma non generalmente il contrario. Ma questa insolita scoperta cruciale, svelato da un team di ricercatori che lavorano presso l'Advanced Photon Source (APS), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility presso l'Argonne National Laboratory del DOE, può fornire agli scienziati nuove informazioni sulla superconduttività ad alta temperatura e sull'informatica quantistica.

Sebbene scienziati e ingegneri utilizzino materiali superconduttori da decenni, l'esatto processo mediante il quale i superconduttori ad alta temperatura conducono l'elettricità senza resistenza rimane un mistero della meccanica quantistica. I segni rivelatori di un superconduttore sono una perdita di resistenza e una perdita di magnetismo. I superconduttori ad alta temperatura possono funzionare a temperature superiori a quelle dell'azoto liquido (-320 gradi Fahrenheit), rendendoli attraenti per le linee di trasmissione senza perdite nelle reti elettriche e altre applicazioni nel settore energetico.

Ma nessuno sa davvero come i superconduttori ad alta temperatura raggiungano questo stato. Questa conoscenza è necessaria per aumentare la temperatura di esercizio di questi materiali verso la temperatura ambiente, qualcosa che sarebbe necessario per l'implementazione su vasta scala dei superconduttori nelle reti elettriche a risparmio energetico.

Un'idea avanzata nel 1987 dal defunto teorico Phil Anderson della Princeton University prevede di mettere i materiali in uno stato liquido con spin quantistico, che Anderson ha proposto potrebbe portare alla superconduttività ad alta temperatura. La chiave sono gli spin degli elettroni in ciascuno degli atomi del materiale, che in determinate condizioni possono essere spinti in uno stato in cui diventano "frustrati" e incapaci di organizzarsi in uno schema ordinato.

Per alleviare questa frustrazione, le direzioni di spin degli elettroni fluttuano nel tempo, allineandosi solo con le rotazioni vicine per brevi periodi di tempo, come un liquido. Sono queste fluttuazioni che possono aiutare nella formazione della coppia di elettroni necessaria per la superconduttività ad alta temperatura.

La pressione fornisce un modo per "sintonizzare" la separazione tra gli spin degli elettroni e portare un magnete in uno stato frustrato in cui il magnetismo scompare a una certa pressione ed emerge un liquido di spin, secondo Daniel Haskel, il fisico e leader del gruppo nella Divisione di scienze a raggi X (XSD) di Argonne che ha guidato un team di ricerca attraverso una serie di esperimenti presso l'APS per fare proprio questo. Il team comprendeva l'assistente fisico di Argonne Gilberto Fabbris e i fisici Jong-Woo Kim e Jung Ho Kim, tutto XSD.

Haskel è attento a dire che i risultati della sua squadra, recentemente pubblicato in Lettere di revisione fisica , non dimostrano in modo conclusivo la natura quantistica dello stato liquido di spin, in cui gli spin atomici continuerebbero a muoversi anche a temperature dello zero assoluto:sarebbero necessari ulteriori esperimenti per confermarlo.

Ma lo dimostrano, applicando una pressione lenta e costante, alcuni materiali magnetici possono essere spinti in uno stato simile a un liquido, in cui gli spin dell'elettrone si disordinano e il magnetismo scompare, preservando la disposizione cristallina degli atomi che ospitano gli spin elettronici. I ricercatori sono fiduciosi di aver creato un liquido rotante, in cui gli spin degli elettroni sono disordinati, ma non sono sicuro che quei giri siano impigliati, che sarebbe un segno di un liquido di spin quantistico.

Se questo è un liquido a spin quantistico, Haskel ha detto, la capacità di crearne uno con questo metodo avrebbe ampie implicazioni.

"Alcuni tipi di liquidi con spin quantistico possono consentire il calcolo quantistico senza errori, "Ha detto Haskel. "Un liquido di spin quantistico è una sovrapposizione di stati di spin, fluttuante ma intricato. È giusto dire che questo processo, dovrebbe creare un liquido con spin quantistico con sovrapposizione quantistica, avrà fatto un qubit, l'elemento base di un computer quantistico."

Quindi cosa ha fatto la squadra, e come hanno fatto? Questo ci riporta ai diamanti, parte di una configurazione sperimentale unica presso l'APS. I ricercatori hanno utilizzato due incudini di diamante, tagliato in modo simile a quello che vedresti nelle gioiellerie, con una base larga e una più stretta, bordo piatto. Hanno posizionato insieme i bordi piatti più piccoli, inserito un campione di materiale magnetico (in questo caso una lega di stronzio-iridio) tra di loro, e spinto.

"L'idea è che mentre lo pressurizzi, avvicina gli atomi, " disse Fabbris. "E poiché possiamo farlo lentamente, possiamo farlo continuamente, e possiamo misurare le proprietà del campione mentre saliamo di pressione."

Quando Fabbris afferma che la pressione veniva applicata lentamente, non sta scherzando:ognuno di questi esperimenti è durato circa una settimana, Egli ha detto, utilizzando un campione di circa 100 micron di diametro, o circa la larghezza di un sottile foglio di carta. Poiché i ricercatori non sapevano a quale pressione sarebbe scomparso il magnetismo, hanno dovuto misurare con attenzione ad ogni lievissimo aumento.

E vederlo scomparire hanno fatto, a circa 20 gigapascal, equivalenti a 200, 000 atmosfere, o circa 200 volte più pressione di quella che si può trovare sul fondo della Fossa delle Marianne nell'Oceano Pacifico, la fossa più profonda della Terra. Gli spin degli elettroni sono rimasti correlati su brevi distanze, come un liquido, ma è rimasto disordinato anche a temperature fino a 1,5 Kelvin (-457 gradi Fahrenheit).

Il trucco, Haskel ha detto - e la chiave per creare uno stato liquido di spin - era preservare l'ordine cristallino e la simmetria della disposizione atomica, poiché l'effetto indesiderato del disordine casuale nelle posizioni atomiche avrebbe portato a un diverso stato magnetico, uno senza le proprietà uniche dello stato liquido di spin. Haskel paragona gli spin dell'elettrone ai vicini di un isolato di città:man mano che si avvicinano, tutti vogliono rendersi felici l'un l'altro, cambiando la loro direzione di rotazione in modo che corrisponda a quella dei loro vicini. L'obiettivo è avvicinarli così tanto da non poter rendere felici tutti i loro vicini, in tal modo "frustrante" le loro interazioni di spin, pur mantenendo la struttura dell'isolato.

Il team di ricerca ha utilizzato le intense capacità di imaging a raggi X dell'APS per misurare il magnetismo del campione, e secondo Haskel e Fabbris, l'APS è l'unica struttura negli Stati Uniti dove si potrebbe fare un simile esperimento. In particolare, Fabbris ha detto, la capacità di concentrarsi su un tipo di atomo, ignorando tutti gli altri, era cruciale.

"I campioni sono molto piccoli, e se provi a misurare il magnetismo con altre tecniche in un laboratorio universitario, raccoglierete il segnale magnetico dai componenti nella cella dell'incudine diamantata, " Ha detto Fabbris. "Le misurazioni che abbiamo fatto sono impossibili senza una fonte di luce come l'APS. È l'unica capace di questo".

Ora che il team ha raggiunto uno stato liquido di rotazione, Qual è il prossimo? Sono necessarie ulteriori sperimentazioni per vedere se è stato creato un liquido con spin quantistico. Esperimenti futuri riguarderanno l'analisi della natura della dinamica e delle correlazioni di spin più direttamente nello stato liquido di spin. Ma i recenti risultati, Haskel ha detto, fornire un percorso per realizzare questi stati quantistici sfuggenti, uno che potrebbe portare a nuove intuizioni sulla superconduttività e sulle scienze dell'informazione quantistica.

Haskel ha anche sottolineato l'aggiornamento APS, un progetto imponente che vedrà la luminosità dello strumento aumentata fino a 1, 000 volte. Questo, Egli ha detto, consentirà sonde molto più profonde in questi affascinanti stati della materia.

"Sta all'immaginazione di chiunque quali sorprendenti effetti della meccanica quantistica aspettano di essere scoperti, " Egli ha detto.