A parte la profonda comprensione del mondo naturale offerta dalla teoria della fisica quantistica, gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di portare avanti una rivoluzione tecnologica sfruttando questa nuova conoscenza nelle applicazioni ingegneristiche. La spintronica è un campo emergente che mira a superare i limiti dell'elettronica tradizionale utilizzando lo spin degli elettroni, che può essere vista approssimativamente come la loro rotazione angolare, come mezzo per trasmettere informazioni.

Ma la progettazione di dispositivi che possono funzionare utilizzando lo spin è estremamente impegnativa e richiede l'uso di nuovi materiali in stati esotici, anche alcuni che gli scienziati non comprendono appieno e non hanno ancora osservato sperimentalmente. In un recente studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , scienziati del Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università delle Scienze di Tokyo, Giappone, descrivere un composto di nuova sintesi con la formula KCu ₆ AlBiO ₄ (COSÌ ₄ ) ₅ Cl che potrebbe essere la chiave per comprendere lo stato sfuggente del "quantum spin liquid (QSL)". Lo scienziato capo Dr. Masayoshi Fujihala spiega la sua motivazione:"L'osservazione di uno stato QSL è uno degli obiettivi più importanti nella fisica della materia condensata, nonché nello sviluppo di nuovi dispositivi spintronici. Tuttavia, lo stato QSL nei sistemi bidimensionali (2-D) non è stato chiaramente osservato nei materiali reali a causa della presenza di disordine o deviazioni dai modelli ideali."

Cos'è lo stato liquido con spin quantistico? Nei materiali antiferromagnetici al di sotto di temperature specifiche, gli spin degli elettroni si allineano naturalmente in schemi su larga scala. Nei materiali in stato QSL, però, gli spin sono disordinati in modo simile a come le molecole nell'acqua liquida sono disordinate rispetto al ghiaccio cristallino. Questo disturbo nasce da un fenomeno strutturale chiamato frustrazione, in cui non è possibile una configurazione di spin simmetrica ed energeticamente favorevole a tutti gli elettroni. KCu ₆ AlBiO ₄ (COSÌ ₄ ) ₅ Cl è un composto di nuova sintesi i cui atomi di rame sono disposti in un particolare schema 2-D noto come "reticolo quadrato di kagome (SKL), " un accordo che dovrebbe produrre uno stato QSL attraverso la frustrazione. Professor Setsuo Mitsuda, coautore dello studio, afferma:"La mancanza di un composto modello per il sistema SKL ha ostacolato una comprensione più profonda del suo stato di spin. Motivato da questo, abbiamo sintetizzato KCu ₆ AlBiO ₄ (COSÌ ₄ ) ₅ Cl, il primo antiferromagnete SKL, e ha dimostrato l'assenza di ordinamento magnetico a temperature estremamente basse, uno stato QSL."

Però, i risultati sperimentali ottenuti non potevano essere replicati attraverso calcoli teorici utilizzando uno standard "J ₁ -J ₂ -J ₃ SKL Heisenberg". Questo approccio considera le interazioni tra ogni ione di rame nella rete di cristalli e i suoi vicini più vicini. Il coautore Dr. Katsuhiro Morita spiega:"Per cercare di eliminare la discrepanza, abbiamo calcolato un modello SKL considerando le interazioni del prossimo più vicino utilizzando vari set di parametri. Ancora, non siamo riusciti a riprodurre i risultati sperimentali. Perciò, per comprendere correttamente l'esperimento, dobbiamo calcolare il modello con ulteriori interazioni".

Questo disaccordo tra esperimento e calcoli evidenzia la necessità di affinare gli approcci teorici esistenti, come conclude il coautore Prof Takami Tohyama:"Mentre l'antiferromagnete SKL che abbiamo sintetizzato è un primo candidato per studiare il magnetismo SKL, potremmo dover considerare interazioni a lungo raggio per ottenere un liquido con spin quantistico nei nostri modelli. Questa rappresenta una sfida teorica per svelare la natura dello stato QSL." Speriamo che i fisici riescano ad affrontare questa sfida per portarci ancora un altro passo più vicino alla meravigliosa promessa della spintronica.