I materiali avanzati con proprietà più nuove sono quasi sempre sviluppati aggiungendo più elementi all'elenco degli ingredienti. Ma la ricerca quantistica suggerisce che alcuni materiali più semplici potrebbero già avere proprietà avanzate che gli scienziati non sono riusciti a vedere, fino ad ora.

I ricercatori della Georgia Tech e dell'Università del Tennessee-Knoxville hanno scoperto un comportamento quantistico nascosto e inaspettato in un materiale di ioduro di ferro piuttosto semplice (FeI ₂ ) scoperto quasi un secolo fa. Le nuove intuizioni di ricerca sul comportamento del materiale sono state rese possibili utilizzando una combinazione di esperimenti di diffusione di neutroni e calcoli di fisica teorica presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE).

I risultati del team, pubblicati sulla rivista Fisica della natura —risolve un enigma di 40 anni sul comportamento misterioso del materiale e potrebbe essere usato come mappa per sbloccare un tesoro di fenomeni quantistici in altri materiali.

"La nostra scoperta è stata guidata in gran parte dalla curiosità, " ha detto Xiaojian Bai, il primo autore dell'articolo. Bai ha conseguito il dottorato di ricerca. alla Georgia Tech e lavora come ricercatore post-dottorato presso l'ORNL, dove usa i neutroni per studiare i materiali magnetici. "Mi sono imbattuto in questo materiale di ioduro di ferro nel 2019 come parte del mio progetto di tesi di dottorato. Stavo cercando di trovare composti con una disposizione reticolare magnetica triangolare che esibisca quello che viene chiamato "magnetismo frustrato"."

Nei magneti comuni, come calamite da frigorifero, gli elettroni del materiale sono disposti in linea come frecce che puntano tutti nella stessa direzione, in alto o in basso, oppure si alternano tra l'alto e il basso. Le direzioni in cui puntano gli elettroni sono chiamate "spin". Ma in materiali più complessi come lo ioduro di ferro, gli elettroni sono disposti in una griglia triangolare, in cui le forze magnetiche tra i tre momenti magnetici sono in conflitto e non sono sicuri di quale direzione puntare, quindi, "magnetismo frustrato".

"Mentre leggevo tutta la letteratura, Ho notato questo composto, ioduro di ferro, che è stato scoperto nel 1929 ed è stato studiato piuttosto intensamente negli anni '70 e '80, " disse Bai. "All'epoca, hanno visto qualche particolarità, o comportamenti non convenzionali, ma in realtà non avevano le risorse per comprendere appieno il motivo per cui lo stavano vedendo. Così, sapevamo che c'era qualcosa di irrisolto che era strano e interessante, e rispetto a quarant'anni fa, abbiamo a disposizione strumenti sperimentali molto più potenti, quindi abbiamo deciso di rivisitare questo problema e speravamo di fornire alcune nuove intuizioni".

I materiali quantistici sono spesso descritti come sistemi che mostrano comportamenti esotici e disobbediscono alle leggi fisiche classiche, come un materiale solido che si comporta come un liquido, con particelle che si muovono come l'acqua e si rifiutano di congelare o arrestare il loro movimento anche a temperature di congelamento. Comprendere come funzionano questi fenomeni esotici, o i loro meccanismi sottostanti, è la chiave per far progredire l'elettronica e sviluppare altre tecnologie di prossima generazione.

"Nei materiali quantistici, due cose sono di grande interesse:fasi della materia come i liquidi, solidi, e gas, ed eccitazioni di quelle fasi, come onde sonore. Allo stesso modo, le onde di spin sono eccitazioni di un materiale solido magnetico, " disse Martin Mourigal, professore di fisica alla Georgia Tech. "Per molto tempo, la nostra ricerca nei materiali quantistici è stata quella di trovare fasi esotiche, ma la domanda che ci siamo posti in questa ricerca è 'Forse la fase in sé non è apparentemente esotica, ma cosa succede se le sue eccitazioni sono?' E in effetti è quello che abbiamo scoperto".

I neutroni sono sonde ideali per studiare il magnetismo perché agiscono essi stessi come magneti microscopici e possono essere utilizzati per interagire ed eccitare altre particelle magnetiche senza compromettere la struttura atomica di un materiale.

Bai è stato introdotto ai neutroni quando era uno studente laureato di Mourigal alla Georgia Tech. Mourigal è stato un utente frequente di diffusione di neutroni presso il reattore isotopico ad alto flusso di flusso (HFIR) e la sorgente di neutroni di spallation (SNS) dell'ORNL per diversi anni, utilizzando le strutture per gli utenti del DOE Office of Science per studiare un'ampia gamma di materiali quantistici e i loro vari e bizzarri comportamenti.

Quando Bai e Mourigal hanno esposto il materiale di ioduro di ferro a un fascio di neutroni, si aspettavano di vedere una particolare eccitazione o banda di energia associata a un momento magnetico da un singolo elettrone; ma invece non ne videro uno, ma due diverse fluttuazioni quantistiche che emanano simultaneamente.

"I neutroni ci hanno permesso di vedere molto chiaramente questa fluttuazione nascosta e abbiamo potuto misurare il suo intero spettro di eccitazione, ma ancora non capivamo perché stavamo vedendo un comportamento così anomalo in una fase apparentemente classica, " disse Bai.

Per le risposte, si sono rivolti al fisico teorico Cristian Batista, Lincoln Chair Professor presso l'Università del Tennessee-Knoxville, e vicedirettore dello Shull Wollan Center dell'ORNL, un istituto congiunto per le scienze dei neutroni che fornisce ai ricercatori in visita ulteriori risorse e competenze sulla diffusione dei neutroni.

Con l'aiuto di Batista e del suo gruppo, il team è stato in grado di modellare matematicamente il comportamento della misteriosa fluttuazione quantistica e, dopo aver eseguito ulteriori esperimenti sui neutroni utilizzando gli strumenti CORELLI e SEQUOIA presso SNS, sono stati in grado di identificare il meccanismo che lo stava facendo apparire.

"Quale teoria aveva previsto e cosa siamo stati in grado di confermare con i neutroni, è che questa fluttuazione esotica si verifica quando la direzione di spin tra due elettroni viene capovolta, e i loro momenti magnetici si inclinano in direzioni opposte, " Disse Batista. "Quando i neutroni interagiscono con gli spin degli elettroni, gli spin ruotano in sincronia lungo una certa direzione nello spazio. Questa coreografia innescata dallo scattering di neutroni crea un'onda di spin".

Ha spiegato che in diversi materiali, gli spin elettronici possono assumere molti orientamenti diversi e coreografie di spin che creano diversi tipi di onde di spin. Nella meccanica quantistica, questo concetto è noto come "dualità onda-particella, " in cui le nuove onde sono considerate come nuove particelle e sono tipicamente nascoste alla diffusione dei neutroni in condizioni normali.

"In un senso, stiamo cercando particelle oscure, " aggiunse Batista. "Non possiamo vederli, ma sappiamo che sono lì perché possiamo vedere i loro effetti, o le interazioni che stanno avendo con le particelle che possiamo vedere".

"Nella meccanica quantistica, non c'è distinzione tra onde e particelle. Comprendiamo il comportamento della particella in base alla lunghezza d'onda, ed è quello che i neutroni ci permettono di misurare, " disse Bai.

Mourigal ha paragonato il modo in cui i neutroni rilevano le particelle alle onde che si infrangono intorno alle rocce sulla superficie dell'oceano.

"In acque ferme non possiamo vedere le rocce sul fondo dell'oceano finché un'onda non si muove su di esse, " ha detto Mourigal. "E 'stato solo creando quante più onde possibile con i neutroni che, attraverso la teoria di Cristian, Xiaojian è stato in grado di identificare le rocce, o in questo caso, le interazioni che rendono visibile la fluttuazione nascosta.

Lo sfruttamento del comportamento magnetico quantistico ha già portato a progressi tecnologici come la macchina per la risonanza magnetica e l'archiviazione su disco rigido magnetico che hanno catalizzato l'informatica personale. Materiali quantistici più esotici potrebbero accelerare la prossima ondata tecnologica.

Oltre a Bai, Mourigal, e Battista, gli autori del documento includono Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matteo Pietra, Aleksandr Kolesnikov, e Feng Ye.

Dalla loro scoperta, il team ha utilizzato queste informazioni per sviluppare e testare le previsioni in una serie più ampia di materiali che si aspettano produrranno risultati più promettenti.

"Man mano che introduciamo più ingredienti in un materiale, aumentiamo anche potenziali problemi come disordine ed eterogeneità. Se vogliamo davvero capire e creare sistemi di meccanica quantistica puliti basati sui materiali, tornare a questi semplici sistemi potrebbe essere più importante di quanto pensassimo, " disse Mourigal.

"Così questo risolve il rompicapo vecchio di 40 anni della misteriosa eccitazione nello ioduro di ferro, " ha detto Bai. "Oggi abbiamo il vantaggio nei progressi di strutture di neutroni su larga scala come SNS che ci consentono di sondare fondamentalmente l'intero spazio di energia e quantità di moto di un materiale per vedere cosa sta succedendo con queste eccitazioni esotiche.

"Ora che abbiamo capito come funziona questo comportamento esotico in un materiale relativamente semplice, possiamo immaginare cosa potremmo trovare in quelli più complicati. Questa nuova comprensione ci ha motivato e, si spera, motiverà la comunità scientifica a studiare più materiali di questo tipo, il che porterà sicuramente a una fisica più interessante".