I materiali quantistici mostrano comportamenti esotici a causa degli effetti della meccanica quantistica, o come la materia agisce su una scala molto piccola di atomi e particelle subatomiche. Le proprietà tecnologicamente rilevanti dei materiali quantistici derivano da complesse interazioni di carica elettronica, orbitale, e spin e loro accoppiamento alla struttura cristallina del materiale. Per esempio, in alcuni materiali, gli elettroni possono fluire liberamente senza alcuna resistenza; questo fenomeno, chiamata superconduttività, potrebbe essere sfruttato per trasmettere energia in modo più efficiente. Tipicamente, queste proprietà emergono a bassa temperatura, dove i cristalli mostrano una simmetria strutturale bassa (rotta).

"Non sorprendentemente, questo regime di bassa temperatura è ben studiato, " ha detto Emil Bozin, un fisico nel gruppo di dispersione dei raggi X della divisione di fisica e scienza dei materiali condensati (CMPMS) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Nel frattempo, il regime di alta temperatura rimane in gran parte inesplorato perché è associato a una simmetria relativamente alta, che è considerato poco interessante."

Ma Bozin e colleghi hanno recentemente scoperto stati di simmetria locale che si rompono ad alta temperatura. Questi stati locali sono associati agli orbitali elettronici (regioni all'interno di un atomo in cui è più probabile che si trovino gli elettroni) che fungono da "precursori" di sollevamento della degenerazione orbitale (ODL) a ciò che accade a bassa temperatura. La degenerazione orbitale si riferisce a quando gli orbitali hanno la stessa energia. L'eliminazione di questa degenerazione significa che alcuni orbitali avranno un'energia relativamente più alta e altri un'energia più bassa.

"Pensiamo che tali stati locali siano in qualche modo facilitatori delle proprietà dei materiali di interesse che si materializzano a temperature molto più basse, " ha spiegato Bozin.

Gli scienziati hanno osservato per la prima volta questi stati locali nel 2019 in un materiale (solfuro di rame iridio) con una transizione metallo-isolante e in un superconduttore a base di ferro. Ora, il team, che rappresenta Brookhaven Lab; l'Oak Ridge National Laboratory del DOE; Università del Tennessee, Knoxville; e la Columbia University, li ha trovati in un isolante contenente sodio, titanio, silicio, e ossigeno. Questo materiale isolante è uno dei minerali che formano il mantello superiore della Terra. Al di là dell'interesse geologico, è un candidato per i liquidi a spin quantistico (QSL), uno stato esotico della materia in cui gli spin degli elettroni rimangono fluidi fino alle temperature più basse, costantemente fluttuante. Le QSL potrebbero fornire una piattaforma materiale per l'informatica quantistica, spintronica (elettronica basata sullo spin dell'elettrone anziché sulla carica), superconduttività, e altre tecnologie.

"I nostri risultati suggeriscono che questo comportamento del precursore dell'ODL ad alta temperatura può essere abbastanza comune e dovrebbe essere considerato negli studi teorici per comprendere le proprietà funzionali dei materiali quantistici, ", ha affermato il fisico Weiguo Yin del gruppo di teoria della materia condensata della divisione CMPMS.

Per sondare la struttura atomica del materiale, il team ha analizzato come il materiale ha diffuso neutroni e raggi X. Entrambe le sonde sono necessarie a causa della loro diversa sensibilità a particolari elementi in base al peso atomico. A differenza dei raggi X, i neutroni possono distinguere gli elementi leggeri, come l'ossigeno. Con i modelli di diffusione di neutroni e raggi X, la disposizione locale degli atomi può essere dedotta attraverso la funzione di distribuzione delle coppie atomiche (PDF), che descrive le distanze tra i diversi atomi in un campione. Utilizzando il software, gli scienziati possono quindi trovare il modello strutturale che meglio si adatta alla funzione PDF atomica sperimentale.

La loro analisi ha rivelato segni di rottura della simmetria locale molto al di sopra della temperatura alla quale il materiale subisce una transizione strutturale per formare dimeri di titanio (due molecole collegate tra loro). Quando il materiale viene riscaldato, questi dimeri sembrano scomparire, ma veramente, restano in giro, evolvendo in un doppio stato ODL.

"L'alta temperatura, lo stato di alta simmetria cristallografica presuppone la presenza di degenerazione orbitale, ma la degenerazione orbitale potrebbe non essere energeticamente favorevole, " ha detto Bozin. "Come vediamo qui, i dimeri vengono sostituiti, e ciò che rimane è una struttura cristallina localmente distorta. Questa distorsione solleva la degenerazione di due orbitali e consente al sistema di entrare in uno stato di energia inferiore".

Prossimo, il team prevede di adattare le proprietà orbitali in questo materiale, ad esempio sostituendo il titanio con il rutenio, che cambierà il conteggio degli elettroni e si prevede che fornisca una QSL migliore. Vedranno anche se i precursori dell'ODL esistono in altri materiali e come sono legati a fenomeni di interesse, come la superconduttività. In particolare, vorrebbero esplorare sistemi con diversi gradi di accoppiamento spin-orbita, che è un meccanismo alternativo per l'ODL.

"La scoperta di questi precursori orbitali ci aiuta a comprendere meglio la competizione tra i diversi stati quantistici a bassa temperatura, una comprensione che ci consentirà di inclinare il campo di gioco per ottenere materiali con le proprietà a bassa temperatura desiderate, " ha detto Simon Billinge, un fisico nel gruppo di dispersione dei raggi X della divisione CMPMS e professore di scienza e ingegneria dei materiali e di fisica applicata e matematica alla Columbia University.