Un nuovo studio, pubblicato in un recente numero di Nature Physics , fa luce sulla tanto attesa comparsa di quasiparticelle, simili alle famose particelle di Dirac che obbediscono all'equazione relativistica di Dirac. Si teorizzava che queste quasiparticelle, note come spinoni di Dirac, esistessero all'interno di un nuovo stato quantistico chiamato stato liquido con spin quantistico.
La scoperta è il risultato di una collaborazione tra i fisici teorici Dr. Chengkang Zhou e il Professor Zi Yang Meng del Dipartimento di Fisica dell'Università di Hong Kong (HKU), insieme agli sperimentali Zhenyuan Zeng e il Professor Shiliang Li dell'Istituto di Fisica ( IOP), Accademia cinese delle scienze (CAS) e il professor Kenji Nakajima del J-PARC Center, Giappone.
Le quasiparticelle sono entità intriganti che emergono dal comportamento collettivo all'interno di materiali che possono essere trattati come un gruppo di particelle. Si prevede che gli spinoni di Dirac, in particolare, mostrino caratteristiche uniche simili alle particelle di Dirac nella fisica delle alte energie e agli elettroni di Dirac nel grafene e nei materiali quantistici, come una relazione di dispersione lineare tra energia e quantità di moto. Ma tali quasiparticelle neutre con carica e spin ½ non erano state viste nei magneti quantistici prima di questo lavoro.
'"Trovare spinoni di Dirac nei magneti quantistici è stato il sogno di generazioni di fisici della materia condensata; ora che ne abbiamo visto le prove, si può iniziare a pensare alle innumerevoli potenziali applicazioni di un materiale quantistico così altamente correlato.
"Chissà, forse un giorno le persone costruiranno computer quantistici con esso, proprio come hanno fatto nell'ultimo mezzo secolo con il silicio,'" ha detto il professor Meng, fisico dell'HKU e uno degli autori corrispondenti dell'articolo.
L'indagine del team si è concentrata su un materiale unico noto come YCu3 -Br, caratterizzato da una struttura reticolare kagome che porta alla comparsa di queste sfuggenti quasiparticelle.
Studi precedenti avevano accennato al potenziale del materiale di mostrare uno stato liquido con spin quantistico, rendendolo un candidato ideale per l’esplorazione. Per consentire l'osservazione degli spinoni in YCu3 , il team di ricerca ha superato numerose sfide assemblando insieme circa 5.000 cristalli singoli, soddisfacendo i requisiti per condurre esperimenti come la diffusione anelastica di neutroni.
Usando questa tecnica avanzata, il team ha sondato le eccitazioni di spin del materiale e ha osservato intriganti modelli di continuum di spin conico, che ricordano il caratteristico cono di Dirac. Sebbene il rilevamento diretto di un singolo spinone si sia rivelato impegnativo a causa delle limitazioni sperimentali, il team ha confrontato i propri risultati con le previsioni teoriche, rivelando caratteristiche spettrali distinte indicative della presenza di spinoni nel materiale.
Trovare prove spettrali delle eccitazioni dello spinone di Dirac è sempre stata una sfida. Questa scoperta fornisce prove convincenti dell'esistenza di uno stato liquido con spin quantistico di Dirac, che può essere simile a un chiaro grido che squarcia la nebbia dell'indagine spettrale sullo stato liquido con spin quantistico.
I risultati non solo migliorano la nostra comprensione fondamentale della fisica della materia condensata, ma aprono anche le porte a ulteriori esplorazioni delle proprietà e delle applicazioni di YCu3 .
Caratterizzato dalla presenza di eccitazioni spinoniche frazionarie, lo stato liquido con spin quantistico è potenzialmente rilevante per la superconduttività ad alta temperatura e l'informazione quantistica. In questo stato gli effetti sono molto aggrovigliati e rimangono disordinati anche a basse temperature.
Pertanto, lo studio dei segnali spettrali derivanti dagli spinoni che obbediscono all’equazione di Dirac fornirebbe una comprensione più ampia dello stato liquido della materia con spin quantistico. Tale comprensione funge anche da guida verso le sue applicazioni più ampie, inclusa l'esplorazione della superconduttività ad alta temperatura e dell'informazione quantistica.
Ulteriori informazioni: Zhenyuan Zeng et al, Prove spettrali per spinoni di Dirac in un antiferromagnete reticolare di Kagome, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02495-z
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Università di Hong Kong
