Un liquido con spin quantistico è uno stato della materia in cui gli spin quantistici interagenti non si allineano nemmeno alle temperature più basse, ma rimani disordinato. La ricerca su questo stato va avanti da quasi 50 anni, ma se esiste veramente non è mai stato dimostrato oltre ogni dubbio. Un team internazionale guidato dal fisico Prof. Martin Dressel dell'Università di Stoccarda ha ora messo fine al sogno di un liquido con spin quantistico per il momento. Tuttavia, la faccenda rimane eccitante.

Quando le temperature scendono sotto zero gradi Celsius, l'acqua si trasforma in ghiaccio. Ma tutto si congela davvero se lo raffreddi abbastanza? Nella foto classica, la materia diventa intrinsecamente solida a basse temperature. La meccanica quantistica può però, infrangere questa regola. Perciò, elio, Per esempio, può diventare liquido a -270 gradi, ma mai solido sotto pressione atmosferica:non c'è ghiaccio di elio.

Lo stesso vale per le proprietà magnetiche dei materiali:a temperature sufficientemente basse, i momenti magnetici noti come "spin", Per esempio, disporsi in modo da essere orientati opposti/antiparalleli ai rispettivi vicini. Si può pensare a questo come frecce che puntano su e giù alternate lungo una catena o in uno schema a scacchiera. Diventa frustrante quando lo schema è basato su triangoli:mentre due giri possono allinearsi in direzioni opposte, il terzo è sempre parallelo a uno di essi e non all'altro, non importa come lo giri.

Per questo problema, la meccanica quantistica suggerisce la soluzione che l'orientamento e il legame di due spin non sono rigidi, ma gli spin oscillano. Lo stato formato è chiamato liquido di spin quantistico in cui gli spin costituiscono un insieme quantistico meccanicamente entangled. Questa idea è stata proposta quasi cinquant'anni fa dal premio Nobel americano Phil W. Anderson (1923-2020). Dopo decenni di ricerche, solo una manciata di materiali veri rimane alla ricerca di questo stato esotico della materia. Come "candidato" particolarmente promettente è stato considerato un reticolo triangolare in un composto organico complesso, in cui non è stato possibile osservare un ordine magnetico con un andamento regolare su-giù, anche a temperature estremamente basse. Era questa la prova che i liquidi con spin quantistico esistono davvero?

Un problema è che è estremamente difficile misurare gli spin degli elettroni fino a temperature estremamente basse, specialmente lungo diverse direzioni dei cristalli e in campi magnetici variabili. Tutti gli esperimenti precedenti sono stati in grado di sondare liquidi con spin quantistico solo più o meno indirettamente, e la loro interpretazione si basa su alcuni presupposti e modelli. Perciò, un nuovo metodo di spettroscopia di risonanza di spin degli elettroni a banda larga è stato sviluppato nel corso di molti anni presso l'Istituto di Fisica 1 dell'Università di Stoccarda.

Utilizzando linee a microonde su chip, si possono osservare direttamente le proprietà degli spin fino a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto. Così facendo, i ricercatori hanno scoperto che i momenti magnetici non si dispongono nello schema su-giù di un tipico magnete, né formano uno stato dinamico simile a un liquido. "Infatti, abbiamo osservato gli spin in coppie spazialmente separate. Così, i nostri esperimenti hanno infranto per ora il sogno di un liquido con spin quantistico, almeno per questo composto, " riassume il prof. Martin Dressel, direttore dell'Istituto di Fisica 1.

Ma anche se le coppie non hanno oscillato come sperato, questo esotico stato fondamentale della materia non ha perso nulla del suo fascino per i fisici. "Vogliamo indagare se i liquidi con spin quantistico potrebbero essere rilevabili in altri composti reticolari triangolari o anche in sistemi completamente diversi come le strutture a nido d'ape", Dressel delinea i prossimi passi. Però, potrebbe anche essere che un tale disordine, stato dinamico semplicemente non esiste in natura. Forse ogni tipo di interazione porta in un modo o nell'altro a una sistemazione regolare se la temperatura è abbastanza bassa. I giri amano fare coppia.