Non capita tutti i giorni che qualcuno si imbatta in un nuovo stato della materia nella fisica quantistica, il campo scientifico dedicato alla descrizione del comportamento delle particelle atomiche e subatomiche per chiarirne le proprietà.

Eppure questo è esattamente ciò che ha fatto un team internazionale di ricercatori che include Andrea Bianchi, professore di fisica e ricercatore dell'Università di Montreal presso il Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, e i suoi studenti Avner Fitterman e Jérémi Dudemaine.

In un recente articolo pubblicato sulla rivista scientificaPhysical Review X , i ricercatori documentano uno "stato fondamentale liquido di spin quantico" in un materiale magnetico creato nel laboratorio di Bianchi:Ce₂ Zr₂ O₇ , un composto composto da cerio, zirconio e ossigeno.

Come un liquido rinchiuso all'interno di un solido estremamente freddo

Nella fisica quantistica, lo spin è una proprietà interna degli elettroni legata alla loro rotazione. È lo spin che conferisce al materiale in un magnete le sue proprietà magnetiche.

In alcuni materiali, lo spin risulta in una struttura disorganizzata simile a quella delle molecole in un liquido, da cui l'espressione "spin liquid".

In generale, un materiale diventa più disorganizzato all'aumentare della sua temperatura. Questo è il caso, ad esempio, quando l'acqua si trasforma in vapore. Ma la caratteristica principale dei liquidi di spin è che rimangono disorganizzati anche quando vengono raffreddati fino allo zero assoluto (–273°C).

I liquidi di rotazione rimangono disorganizzati perché la direzione di rotazione continua a fluttuare mentre il materiale viene raffreddato invece di stabilizzarsi allo stato solido, come accade in un magnete convenzionale, in cui tutti gli spin sono allineati.

L'arte di "frustrare" gli elettroni

Immagina un elettrone come una minuscola bussola che punta verso l'alto o verso il basso. Nei magneti convenzionali, gli spin degli elettroni sono tutti orientati nella stessa direzione, verso l'alto o verso il basso, creando quella che è nota come una "fase ferromagnetica". Questo è ciò che mantiene le foto e le note appuntate sul tuo frigorifero.

Ma nei liquidi con spin quantico, gli elettroni sono posizionati in un reticolo triangolare e formano un "ménage à trois" caratterizzato da un'intensa turbolenza che interferisce con il loro ordine. Il risultato è una funzione d'onda entangled e nessun ordine magnetico.

"Quando viene aggiunto un terzo elettrone, gli spin degli elettroni non possono essere allineati perché i due elettroni vicini devono sempre avere spin opposti, creando quella che chiamiamo frustrazione magnetica", ha spiegato Bianchi. "Questo genera eccitazioni che mantengono il disordine degli spin e quindi lo stato liquido, anche a temperature molto basse."

Allora come hanno fatto ad aggiungere un terzo elettrone e causare una tale frustrazione?

Creare un ménage à trois

Inserisci il magnete frustrato Ce₂ Zr₂ O₇ creato da Bianchi nel suo laboratorio. Alla sua già lunga lista di risultati nello sviluppo di materiali avanzati come i superconduttori, ora possiamo aggiungere "maestro nell'arte dei magneti frustranti".

Ce₂ Zr₂ O₇ è un materiale a base di cerio con proprietà magnetiche. "L'esistenza di questo composto era nota", ha detto Bianchi. "La nostra svolta è stata crearlo in una forma straordinariamente pura. Abbiamo utilizzato campioni fusi in un forno ottico per produrre una disposizione triangolare quasi perfetta degli atomi e quindi verificato lo stato quantistico".

È stato questo triangolo quasi perfetto che ha consentito a Bianchi e al suo team di UdeM di creare frustrazione magnetica in Ce₂ Zr₂ O₇ . Lavorando con i ricercatori delle università McMaster e Colorado State, del Los Alamos National Laboratory e del Max Planck Institute for the Physics of Complex System di Dresda, in Germania, hanno misurato la diffusione magnetica del composto.

"Le nostre misurazioni hanno mostrato una funzione delle particelle sovrapposte, quindi nessun picco di Bragg, un chiaro segno dell'assenza dell'ordine magnetico classico", ha affermato Bianchi. "Abbiamo anche osservato una distribuzione degli spin con direzioni continuamente fluttuanti, caratteristica dei liquidi di spin e della frustrazione magnetica. Ciò indica che il materiale che abbiamo creato si comporta come un vero liquido di spin a basse temperature."

Dal sogno alla realtà

Dopo aver corroborato queste osservazioni con simulazioni al computer, il team ha concluso che stavano effettivamente assistendo a uno stato quantistico mai visto prima.

"Identificare un nuovo stato quantistico della materia è un sogno che diventa realtà per ogni fisico", ha affermato Bianchi. "Il nostro materiale è rivoluzionario perché siamo i primi a dimostrare che può effettivamente presentarsi come un liquido di rotazione. Questa scoperta potrebbe aprire la porta a nuovi approcci nella progettazione di computer quantistici".

Magneti frustrati in breve

Il magnetismo è un fenomeno collettivo in cui gli elettroni di un materiale ruotano tutti nella stessa direzione. Un esempio quotidiano è il ferromagnete, che deve le sue proprietà magnetiche all'allineamento degli spin. Gli elettroni vicini possono anche ruotare in direzioni opposte. In questo caso gli spin hanno ancora direzioni ben definite ma non c'è magnetizzazione. I magneti frustrati sono frustrati perché gli elettroni vicini cercano di orientare i loro giri in direzioni opposte e quando si trovano in un reticolo triangolare, non possono più stabilirsi su una disposizione comune e stabile. Il risultato:una calamita frustrata. + Esplora ulteriormente

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