I liquidi a spin quantistico sono affascinanti sistemi quantistici che hanno recentemente attirato una significativa attenzione da parte della ricerca. Questi sistemi sono caratterizzati da una forte competizione tra le interazioni, che impedisce lo stabilirsi di un ordine magnetico a lungo raggio, come quello osservato nei magneti convenzionali, dove tutti gli spin si allineano lungo la stessa direzione per produrre un campo magnetico netto.
I ricercatori dell’Università di Toronto hanno recentemente introdotto un quadro che potrebbe facilitare l’osservazione sperimentale di un nuovo liquido con spin quantistico 3D noto come ghiaccio di spin quantistico ottupolare a flusso π (π-O-QSI). Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , predice le firme spettroscopiche distintive di questo sistema, che potrebbero essere misurate in esperimenti futuri.
"È interessante notare che i liquidi con spin quantistico possono ospitare eccitazioni frazionate", ha detto a Phys.org Félix Desrochers, coautore dell'articolo. "Vale a dire, gli elettroni in questi materiali sembrano dissociarsi in più componenti. Ad esempio, mentre gli elettroni trasportano sia spin che carica, la quasiparticella emergente può trasportare spin ma non carica.
"Queste eccitazioni non derivano dalla frammentazione degli elettroni in più pezzi, ma sono invece il risultato di una forma altamente non banale di movimento collettivo indotta dalle loro interazioni forti."
Da decenni i fisici cercano chiari esempi dello stato liquido con spin quantistico. Tuttavia, i progressi in questo campo di ricerca sono stati finora lenti, a causa di due fattori principali.
In primo luogo, l'elaborazione di modelli teorici che descrivano realisticamente gli stati fondamentali dei liquidi con spin e che possano essere utilizzati per ricavare previsioni accurate si è rivelata impegnativa. In secondo luogo, anche il rilevamento e la caratterizzazione delle proprietà fisiche di questi sistemi nei materiali reali si è rivelato difficile.
"Il ghiaccio di spin quantistico (QSI) è un raro esempio di modello con uno stato fondamentale liquido con spin quantistico ben compreso e può anche essere trovato in un materiale reale (come la famiglia dei piroclori delle terre rare)", ha spiegato Desrochers.
"QSI è straordinario in quanto realizza l'equivalente reticolare dell'elettrodinamica quantistica:ospita modalità emergenti simili ai fotoni (cioè eccitazioni simili alle particelle di luce), particelle analoghe alle cariche elettrostatiche con mutua interazione di Coulomb note come spinoni e persino monopoli magnetici."
Sulla base delle previsioni teoriche, l’elettrodinamica quantistica emergente nel QSI differisce in modo significativo dall’elettrodinamica convenzionale. Ad esempio, la velocità della cosiddetta "luce emergente" dovrebbe essere dell'ordine di 1 m/s, al contrario delle 3x10
8
m/s di luce che incontriamo nella vita di tutti i giorni.
"Esperimenti recenti su Ce2 Zr2 O7 , Ce2 Sn2 O7 e Ce2 Hf2 O7 sono stati estremamente entusiasmanti", ha affermato Desrochers. "I materiali non mostrano alcun segno di cedimento fino alla temperatura più bassa accessibile.