Il cristallo liquido è uno stato della materia che presenta proprietà sia liquide che solide. Può scorrere come un liquido, mentre le sue molecole costituenti sono allineate come in un solido. Oggigiorno i cristalli liquidi sono ampiamente utilizzati, ad esempio, come elemento centrale dei dispositivi LCD.
L'analogo magnetico di questo tipo di materiale è soprannominato "fase spin-nematica", in cui i momenti di spin svolgono il ruolo delle molecole. Tuttavia, non è stato ancora osservato direttamente, nonostante fosse stato previsto mezzo secolo fa. La sfida principale deriva dal fatto che la maggior parte delle tecniche sperimentali convenzionali sono insensibili ai quadrupoli di spin, che sono le caratteristiche distintive di questa fase spin-nematica.
Ma ora, per la prima volta al mondo, un team di ricercatori guidato dal professor Kim Bumjoon presso il Centro IBS per i sistemi elettronici artificiali a bassa dimensione in Corea del Sud è riuscito a osservare direttamente i quadrupoli di spin. Questo lavoro è stato reso possibile grazie ai notevoli risultati ottenuti negli ultimi decenni nello sviluppo di impianti di sincrotrone.
I ricercatori dell'IBS hanno concentrato il loro studio sull'ossido di iridio Sr2 a reticolo quadrato IrO4 , un materiale precedentemente riconosciuto per il suo ordine dipolare antiferromagnetico a basse temperature. Questo studio ha recentemente scoperto la coesistenza di un ordine quadrupolare di spin, che diventa osservabile attraverso la sua interferenza con l'ordine magnetico. Questo segnale di interferenza è stato rilevato mediante "diffrazione di raggi X risonante dicroica circolare", una tecnica avanzata a raggi X che impiega un fascio di raggi X polarizzato circolarmente.
Un'ulteriore verifica di questa scoperta è avvenuta attraverso la "diffusione anelastica risonante di raggi X risolta in polarizzazione", in cui è stato rivelato che le eccitazioni magnetiche deviano significativamente dai comportamenti previsti per quelli dei magneti convenzionali.
Per completare questi esperimenti, i ricercatori della Corea del Sud hanno collaborato con l'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti per costruire una linea di luce risonante anelastica di diffusione dei raggi X nel Pohang Accelerator Laboratory negli ultimi quattro anni.
Ultimo ma non meno importante, i ricercatori hanno utilizzato una serie di tecniche ottiche, tra cui la spettroscopia Raman e la misurazione dell’effetto Kerr magneto-ottico, per dimostrare che la formazione dei momenti del quadrupolo di spin avviene a temperature più elevate rispetto all’ordine magnetico. All'interno di questo intervallo di temperature, l'ossido di iridio ha solo momenti di quadrupolo di spin ma nessun ordine magnetico, realizzando una fase spin-nematica.
Nel loro insieme, questa è la prima osservazione diretta dei momenti del quadrupolo di spin in una fase spin-nematica.
"Questa ricerca è stata fattibile perché l'infrastruttura e le capacità degli esperimenti sui raggi X in Corea del Sud avevano raggiunto un livello competitivo a livello globale", afferma il prof. Kim Bumjoon, autore corrispondente di questo studio.
"La scoperta della fase spin-nematica ha implicazioni significative anche per l'informatica quantistica e le tecnologie dell'informazione", aggiunge il prof. Cho Gil Young, coautore di questo studio e professore presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Pohang.
Un altro aspetto interessante della fase spin-nematica è il suo potenziale di superconduttività ad alta temperatura. Nella fase spin-nematica, gli spin sono altamente intrecciati, il che è stato suggerito dal fisico P. W. Anderson come ingrediente critico per la superconduttività ad alta temperatura.
Inoltre, dato che l'ossido di iridio Sr2 IrO4 è stato ampiamente studiato a causa delle sue sorprendenti somiglianze con il sistema superconduttore ad alta temperatura dell'ossido di rame, che alimenta un crescente interesse per questo materiale come potenziale nuovo sistema superconduttore ad alta temperatura, nonché per la sua relazione con la fase spin-nematica.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature .
Ulteriori informazioni: B. J. Kim, Fase nematica dello spin quantistico in un iridato a reticolo quadrato, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06829-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06829-4
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