Nel misterioso mondo dei materiali quantistici, le cose non sempre si comportano come ci aspettiamo. Questi materiali hanno proprietà uniche governate dalle regole della meccanica quantistica, il che spesso significa che possono svolgere compiti in modi che i materiali tradizionali non possono fare, come condurre elettricità senza perdite, o avere proprietà magnetiche che potrebbero rivelarsi utili nelle tecnologie avanzate.
Alcuni materiali quantistici sono attraversati da minuscole onde magnetiche chiamate magnoni, che si comportano in modi sconcertanti. Comprendere i magnoni ci aiuta a svelare i segreti del funzionamento dei magneti a livello microscopico, il che è fondamentale per la prossima generazione di elettronica e computer.
Gli scienziati hanno studiato come questi magnoni agiscono sotto forti campi magnetici e pensavano di sapere cosa aspettarsi, fino ad ora. In un nuovo studio su Nature Communications , i ricercatori guidati da Henrik Rønnow e Frédéric Mila dell'EPFL hanno svelato un nuovo, inaspettato comportamento nel materiale quantistico borato di rame e stronzio, SrCu2 (BO3 )2 . Lo studio mette alla prova la nostra attuale comprensione della fisica quantistica, ma suggerisce anche interessanti possibilità per le tecnologie future.
Ma perché questo materiale? Le specifiche sono piuttosto tecniche, ma SrCu2 (BO3 )2 è importante nel campo dei materiali quantistici perché è l'unico esempio conosciuto nel mondo reale del "modello Shastry-Sutherland", un quadro teorico per comprendere le strutture in cui la disposizione e le interazioni degli atomi impediscono loro di stabilizzarsi in uno stato semplice e ordinato .
Queste strutture sono conosciute come “reticoli altamente frustrati” e spesso conferiscono al materiale quantistico comportamenti e proprietà insoliti e complessi. Quindi, la struttura unica di SrCu2 (BO3 )2 lo rende un candidato ideale per lo studio di fenomeni e transizioni quantistici complessi.
Diffusione di neutroni e campi magnetici massicci
Studiare i magnoni in SrCu2 (BO3 )2 , gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata scattering di neutroni. In sostanza, hanno sparato neutroni sul materiale e ne hanno misurato le deflessioni. La diffusione dei neutroni è particolarmente efficace nello studio dei materiali magnetici, poiché i neutroni, essendo di carica neutra, possono decifrare il magnetismo senza essere disturbati dalla carica degli elettroni e dei nuclei nel materiale.
Questo lavoro è stato svolto presso l'impianto di diffusione di neutroni ad alto campo dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino, che era in grado di sondare campi fino a 25,9 Tesla, rendendolo un livello senza precedenti di studio del campo magnetico, che ha permesso agli scienziati di osservare il comportamento dei magnoni. direttamente.
Hanno poi combinato i dati con i calcoli della "matrice cilindrica-prodotto-stati", un potente metodo computazionale che ha aiutato a confermare le osservazioni sperimentali dallo scattering dei neutroni e a comprendere i comportamenti quantistici bidimensionali del materiale.
L'approccio unico ha rivelato qualcosa di sorprendente:invece di comportarsi come unità singole e indipendenti, come previsto, i magnoni del materiale si accoppiavano, formando "stati legati", come accoppiarsi per ballare invece di andare da soli.
Questo insolito abbinamento porta a un nuovo, inaspettato stato quantistico che ha implicazioni per le proprietà del materiale:la “fase spin-nematica”. Pensatelo come i magneti su un frigorifero:normalmente puntano a nord o a sud (questa è la rotazione), ma questa nuova fase non riguarda la direzione verso cui puntano, ma piuttosto il modo in cui si allineano tra loro, creando uno schema unico.
Questa scoperta rivela un comportamento nei materiali magnetici mai visto prima. Questa scoperta di una regola nascosta nella fisica quantistica potrebbe portarci a nuovi modi di utilizzare materiali magnetici per le tecnologie quantistiche a cui non abbiamo ancora nemmeno pensato.
Ulteriori informazioni: Ellen Fogh et al, Condensazione dello stato legato indotta dal campo e fase spin-nematica in SrCu2 (BO3 )2 rivelato dalla diffusione di neutroni fino a 25,9 T, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44115-z
Fornito da Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
