Utilizzando una nuova tecnica, gli scienziati che lavorano presso il National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University hanno trovato prove di un liquido con spin quantistico, uno stato della materia promettente come elemento costitutivo per i computer quantistici di domani.

I ricercatori hanno scoperto l'eccitante comportamento mentre studiavano i cosiddetti spin elettronici nel composto tricloruro di rutenio. Le loro scoperte, pubblicato oggi sulla rivista Fisica della natura , mostrano che gli spin degli elettroni interagiscono attraverso il materiale, riducendo efficacemente l'energia complessiva. Questo tipo di comportamento, coerente con un liquido con spin quantistico, è stato rilevato nel tricloruro di rutenio ad alte temperature e in campi magnetici elevati.

Liquidi di centrifuga, teorizzato per la prima volta nel 1973, rimangono qualcosa di misterioso. Nonostante alcuni materiali mostrino segni promettenti per questo stato della materia, è estremamente impegnativo confermarne definitivamente l'esistenza. Però, c'è un grande interesse per loro perché gli scienziati ritengono che potrebbero essere utilizzati per la progettazione di materiali più intelligenti in una varietà di applicazioni, come l'informatica quantistica.

Questo studio fornisce un forte supporto che il tricloruro di rutenio è un liquido di rotazione, disse il fisico Kim Modic, un ex studente laureato che ha lavorato presso la struttura del campo pulsato del MagLab ed è ora assistente professore presso l'Istituto di scienza e tecnologia Austria.

"Penso che questo documento fornisca una nuova prospettiva sul tricloruro di rutenio e dimostri un nuovo modo di cercare le firme dei liquidi di spin, " disse Modico, l'autore principale del documento.

Per decenni, i fisici hanno studiato a fondo la carica di un elettrone, che trasporta elettricità, aprendo la strada ai progressi dell'elettronica, energia e altri settori. Ma gli elettroni hanno anche una proprietà chiamata spin. Gli scienziati vogliono sfruttare anche l'aspetto dello spin degli elettroni per la tecnologia, ma il comportamento universale degli spin non è ancora del tutto compreso.

In parole povere, si può pensare che gli elettroni ruotino su un asse, come una cima, orientato in qualche direzione. Nei materiali magnetici, questi giri si allineano tra loro, o nella stessa direzione o in direzioni opposte. Chiamato ordinamento magnetico, questo comportamento può essere indotto o soppresso dalla temperatura o dal campo magnetico. Una volta che l'ordine magnetico è soppresso, potrebbero emergere stati più esotici della materia, come i liquidi a spin quantistico.

Alla ricerca di un liquido di rotazione, il team di ricerca si è concentrato sul tricloruro di rutenio. La sua struttura a nido d'ape, con un giro in ogni sito, è come una versione magnetica del grafene, un altro argomento caldo nella fisica della materia condensata.

"Il rutenio è molto più pesante del carbonio, che si traduce in forti interazioni tra gli spin, " ha detto il fisico di MagLab Arkady Shekhter, un coautore sulla carta.

Il team si aspettava che queste interazioni avrebbero aumentato la frustrazione magnetica nel materiale. È una specie di scenario da "società a tre" in cui due giri si accoppiano, lasciando il terzo in un limbo magnetico, che ostacola l'ordinamento magnetico. quella frustrazione, la squadra ha ipotizzato potrebbe portare a uno stato liquido di rotazione. I loro dati hanno finito per confermare i loro sospetti.

"Sembra che, a basse temperature e sotto un campo magnetico applicato, il tricloruro di rutenio mostra i segni del comportamento che stiamo cercando, " ha detto Modic. "Gli spin non si orientano semplicemente a seconda dell'allineamento degli spin vicini, ma piuttosto sono dinamiche, come molecole d'acqua vorticose, pur mantenendo una certa correlazione tra loro."

I risultati sono stati resi possibili da una nuova tecnica sviluppata dal team chiamata magnetometria a torsione risonante, che misura con precisione il comportamento degli spin degli elettroni in campi magnetici elevati e potrebbe portare a molte altre nuove intuizioni sui materiali magnetici, ha detto Modico.

"In realtà non abbiamo le tecniche da lavoro o i macchinari analitici per studiare le eccitazioni degli spin degli elettroni, come facciamo per i sistemi di ricarica, " ha detto Modic. "I metodi che esistono in genere richiedono grandi dimensioni del campione, che potrebbe non essere disponibile. La nostra tecnica è altamente sensibile e lavora su piccoli, campioni delicati. Questo potrebbe essere un punto di svolta per quest'area di ricerca".

Modic ha sviluppato la tecnica come ricercatore post-dottorato e poi ha lavorato con i fisici del MagLab Shekhter e Ross McDonald, un altro coautore dell'articolo, per misurare il tricloruro di rutenio in campi magnetici elevati.

La loro tecnica prevedeva il montaggio di campioni di tricloruro di rutenio su un cantilever delle dimensioni di una ciocca di capelli. Hanno riproposto un diapason al quarzo, simile a quello di un orologio al quarzo, per far vibrare il cantilever in un campo magnetico. Invece di usarlo per leggere l'ora con precisione, hanno misurato la frequenza della vibrazione per studiare l'interazione tra gli spin nel tricloruro di rutenio e il campo magnetico applicato. Hanno eseguito le loro misurazioni in due potenti magneti presso il National MagLab.

"La bellezza del nostro approccio è che è una configurazione relativamente semplice, che ci ha permesso di effettuare le nostre misurazioni sia in un magnete resistivo da 35 tesla che in un magnete a campo pulsato da 65 tesla, " ha detto Modico.

Il prossimo passo nella ricerca sarà studiare questo sistema nel magnete pulsato da 100 tesla del MagLab, il record mondiale.

"Quell'alto di un campo magnetico dovrebbe permetterci di osservare direttamente la soppressione dello stato liquido di spin, che ci aiuterà a conoscere ancora di più il funzionamento interno di questo composto, "Ha detto Shekhter.