Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) e della Yokohama National University (YNU) hanno scoperto il meccanismo peculiare con cui le perturbazioni di spin viaggiano attraverso una regione apparentemente invalicabile di un sistema liquido di spin quantistico. Questa nuova intuizione potrebbe rappresentare un altro elemento costitutivo dell'elettronica di prossima generazione e persino dei computer quantistici.

I dispositivi elettronici come li conosciamo stanno per raggiungere i loro limiti teorici, il che significa che sarà necessaria una tecnologia radicalmente nuova per ottenere prestazioni migliori o una maggiore miniaturizzazione. Il problema è che l'elettronica moderna è incentrata sulla manipolazione delle correnti elettriche ed è quindi principalmente preoccupata per la carica collettiva degli elettroni in movimento. Ma cosa accadrebbe se segnali e dati potessero essere codificati e inviati in modo più efficiente?

Entra nella spintronica, un campo tecnologico emergente concepito per rivoluzionare l'elettronica, e, si spera, diventi un attore chiave nello sviluppo dei computer quantistici. Nei dispositivi spintronici, la caratteristica più importante degli elettroni è il loro spin, una proprietà intrinseca che può essere vista in senso lato come il loro momento angolare e che è la causa sottostante dei fenomeni magnetici nei solidi. Però, i fisici di tutto il mondo stanno lottando per trovare modi pratici per generare e trasportare "pacchetti di spin" attraverso i materiali. In un recente studio, scienziati presso Tokyo Tech e YNU, Giappone, ha condotto un'analisi teorica delle peculiari caratteristiche di trasporto di spin di un particolare sistema chiamato modello di Kitaev.

Questo modello bidimensionale comprende una rete a nido d'ape in cui ogni vertice ospita uno spin. La particolarità del sistema Kitaev è che a causa delle peculiari interazioni tra gli spin, si comporta come un liquido a spin quantistico (QSL). Ciò significa in generale che è impossibile in questo sistema che i giri siano organizzati in un unico modo ottimale che "renda felice ogni giro". Questo fenomeno, chiamato spin frustrazione, fa sì che gli spin si comportino in modo particolarmente disordinato. Professore Akihisa Koga, che ha condotto lo studio, afferma:"Il modello Kitaev è un parco giochi interessante per lo studio delle QSL. Tuttavia, non si sa molto delle sue intriganti proprietà di trasporto dello spin."

Una caratteristica importante del modello Kitaev è che ha simmetrie locali; tali simmetrie significano che gli spin sono correlati solo con i loro vicini più vicini e non con spin lontani, implicando così che dovrebbe esserci una barriera al trasporto di spin. Però, in realtà, piccole perturbazioni magnetiche su un bordo di un sistema Kitaev si manifestano come cambiamenti negli spin sul bordo opposto, anche se le perturbazioni non sembrano causare alcun cambiamento nella magnetizzazione della centrale, regione più simmetrica del materiale. Questo intrigante meccanismo è ciò che il team di scienziati ha chiarito nel loro studio, che è pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Hanno applicato un campo magnetico a impulsi su un bordo di una QSL di Kitaev per attivare il trasporto di pacchetti di spin e hanno simulato numericamente le dinamiche in tempo reale che si sono dispiegate di conseguenza. Si scopre che la perturbazione magnetica è trasportata attraverso la regione centrale del materiale da fermioni di Majorana in viaggio. Queste sono quasiparticelle; non sono particelle reali, ma precise approssimazioni del comportamento collettivo del sistema.

In particolare, Il trasporto di spin mediato da Majorana non può essere spiegato dalla classica teoria delle onde di spin, e quindi giustifica ulteriori studi sperimentali. Ma Koga spera nel potenziale applicativo dei risultati di questo studio. Lui dice, "I nostri risultati teorici dovrebbero essere rilevanti nei materiali reali, anche, e la configurazione del nostro studio potrebbe essere implementata fisicamente in alcuni materiali candidati per i sistemi Kitaev".

Nel loro articolo, gli scienziati discutono dei possibili materiali, modi di creare le perturbazioni di spin, e approcci sperimentali per trovare prove dei fermioni di Majorana che viaggiano attraverso la massa del materiale per raggiungere l'altro bordo. Potrebbe anche essere possibile controllare il movimento dei fermioni di Majorana statici (non mobili) nel sistema, che potrebbe essere di utilità pratica.