I ricercatori della Princeton University hanno condotto esperimenti su materiali noti come liquidi di spin quantistico, trovando prove che gli elettroni nel regime quantistico si comportano come se fossero costituiti da due particelle. Credito:Caterina Zandonella, università di Princeton
Una nuova scoperta condotta dall'Università di Princeton potrebbe sconvolgere la nostra comprensione di come si comportano gli elettroni in condizioni estreme nei materiali quantistici. La scoperta fornisce prove sperimentali che questo familiare elemento costitutivo della materia si comporta come se fosse composto da due particelle:una particella che conferisce all'elettrone la sua carica negativa e un'altra che fornisce la sua proprietà simile a un magnete, noto come rotazione.
"Pensiamo che questa sia la prima prova concreta della separazione della carica di spin, " ha detto Nai Phuan Ong, Eugene Higgins Professor of Physics di Princeton e autore senior del documento pubblicato questa settimana sulla rivista Fisica della natura .
I risultati sperimentali soddisfano una previsione fatta decenni fa per spiegare uno degli stati più sconvolgenti della materia, il liquido di spin quantistico. In tutti i materiali, lo spin di un elettrone può puntare sia verso l'alto che verso il basso. Nel magnete familiare, tutti gli spin puntano uniformemente in una direzione in tutto il campione quando la temperatura scende al di sotto di una temperatura critica.
Però, in materiali liquidi di spin, gli spin non sono in grado di stabilire uno schema uniforme anche se raffreddati molto vicino allo zero assoluto. Anziché, gli spin cambiano costantemente in modo strettamente coordinato, coreografia intricata. Il risultato è uno degli stati quantistici più intricati mai concepiti, uno stato di grande interesse per i ricercatori nel crescente campo dell'informatica quantistica.
Per descrivere matematicamente questo comportamento, Il fisico Philip Anderson (1923-2020), vincitore del premio Nobel a Princeton, che per primo predisse l'esistenza dei liquidi di spin nel 1973, proposto una spiegazione:nel regime quantistico un elettrone può essere considerato composto da due particelle, uno recante la carica negativa dell'elettrone e l'altro contenente il suo spin. Anderson chiamò spinone la particella contenente spin.
In questo nuovo studio, il team ha cercato i segni dello spinone in un liquido di rotazione composto da rutenio e atomi di cloro. A temperature di una frazione di Kelvin sopra lo zero assoluto (o circa -452 gradi Fahrenheit) e in presenza di un campo magnetico elevato, i cristalli di cloruro di rutenio entrano nello stato liquido di spin.
La trama a colori 3D, un insieme di molti esperimenti, mostra come varia la conducibilità termica κxx (asse verticale) in funzione del campo magnetico B (asse orizzontale) e della temperatura T (asse nella pagina). Le oscillazioni forniscono prove per gli spinoni. Credito:Peter Czajka, università di Princeton
Studente laureato Peter Czajka e Tong Gao, dottorato di ricerca 2020, collegò tre termometri altamente sensibili al cristallo seduto in un bagno mantenuto a temperature prossime allo zero assoluto gradi Kelvin. Hanno quindi applicato il campo magnetico e una piccola quantità di calore a un bordo del cristallo per misurarne la conduttività termica, una quantità che esprime quanto bene conduce una corrente di calore. Se fossero presenti spinoni, dovrebbero apparire come un modello oscillante in un grafico della conduttività termica rispetto al campo magnetico.
Il segnale oscillante che stavano cercando era minuscolo, solo pochi centesimi di grado, quindi le misurazioni richiedevano un controllo straordinariamente preciso della temperatura del campione e attente calibrazioni dei termometri nel forte campo magnetico.
Il team ha utilizzato i cristalli più puri disponibili, quelli cresciuti all'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) sotto la guida di David Mandrus, professore di scienze dei materiali presso l'Università del Tennessee-Knoxville, e Stephen Nagler, direttore della divisione materia condensata quantistica dell'ORNL. Il team dell'ORNL ha studiato a fondo le proprietà del liquido di spin quantistico del cloruro di rutenio.
In una serie di esperimenti condotti in quasi tre anni, Czajka e Gao hanno rilevato oscillazioni di temperatura coerenti con spinoni con risoluzione sempre più elevata, fornendo prove che l'elettrone è composto da due particelle coerenti con la previsione di Anderson.
"La gente ha cercato questa firma per quattro decenni, "Ong ha detto, "Se questo risultato e l'interpretazione dello spinone sono convalidati, farebbe avanzare in modo significativo il campo dei liquidi con spin quantistico."
Czajka e Gao hanno trascorso la scorsa estate a confermare gli esperimenti mentre erano sotto le restrizioni COVID che richiedevano loro di indossare maschere e mantenere il distanziamento sociale.
"Dal lato puramente sperimentale, "Czajka ha detto, "è stato emozionante vedere risultati che in effetti infrangono le regole che impari nelle lezioni di fisica elementare".
