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Stato quantistico insolito della materia osservato per la prima volta

Ungewöhnlicher Quantenzustand der Materie zum ersten Mal beobachtet

Un campione del magnete frustrato a base di cerio, Ce2Zr2o7, progettato nel laboratorio di Andrea Bianchi. Credito fotografico: Università di Montreal

Non capita tutti i giorni di incontrare un nuovo stato della materia per chiarirne le proprietà nella fisica quantistica, la branca della scienza dedicata alla descrizione del comportamento delle particelle atomiche e subatomiche.

Ma è esattamente ciò che ha fatto un gruppo di ricerca internazionale che comprende Andrea Bianchi, professore di fisica all’Università di Montreal e ricercatore al Regroupement Québécois sur les matériaux de pointe, e i suoi studenti Avner Fitterman e Jérémi Dudemaine.

In un recente articolo pubblicato sulla rivista scientifica Controllo fisico Xi ricercatori documentano uno “stato fondamentale liquido di spin quantico” in un materiale magnetico realizzato nel laboratorio di Bianchi: Ce2Zr2o7un composto di cerio, zirconio e ossigeno.

Come un liquido intrappolato in un solido estremamente freddo

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

In alcuni materiali, lo spin porta a una struttura disorganizzata simile a quella delle molecole in un liquido, da cui il termine “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. Tuttavia, 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 della rotazione continua a fluttuare mentre il materiale si raffredda, piuttosto che stabilizzarsi allo stato solido come un magnete tradizionale in cui tutte le rotazioni sono allineate.

L’arte di “frustrare” gli elettroni.

Pensa a un elettrone come a una minuscola bussola che punta verso l’alto o verso il basso. Nei magneti convenzionali, gli spin degli elettroni sono tutti allineati nella stessa direzione, verso l’alto o verso il basso, creando quella che è nota come una “fase ferromagnetica”. Quindi foto e appunti si attaccano al tuo frigorifero.

Ma nei liquidi con spin quantico, gli elettroni sono disposti in un reticolo triangolare, formando un “ménage à trois” caratterizzato da un’intensa turbolenza che interrompe il loro ordine. Il risultato è una funzione d’onda entangled e nessun ordine magnetico.

“Se viene aggiunto un terzo elettrone, gli spin degli elettroni non possono essere allineati perché i due elettroni adiacenti devono sempre avere spin opposti, portando a qualcosa chiamato frustrazione magnetica”, ha spiegato Bianchi. “Questo crea 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?

Crea un ménage à trois

Entra nel magnete frustrato Ce2Zr2o7 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 dell’arte dei magneti frustranti”.

ce2Zr2o7 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 quella di crearlo in una forma straordinariamente pura. Abbiamo utilizzato campioni che sono stati fusi in una fornace ottica per creare una matrice triangolare quasi perfetta di atomi, quindi abbiamo verificato lo stato quantistico”.

È stato questo triangolo quasi perfetto che ha permesso a Bianchi e al suo team di UdeM di creare frustrazione magnetica in Ce2Zr2o7. Lavorando con i ricercatori della McMaster e delle Università statali del Colorado, del Los Alamos National Laboratory e del Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems a 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 della mancanza di ordine magnetico classico”, ha affermato Bianchi. “Abbiamo anche osservato una distribuzione degli spin con direzioni continuamente variabili, caratteristica dei liquidi di spin e della frustrazione magnetica. Ciò indica che il materiale che abbiamo creato si comporta come un vero liquido di rotazione alle basse temperature”.

Dal sogno alla realtà

Dopo che queste osservazioni sono state confermate da 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 detto Bianchi. “Il nostro materiale è rivoluzionario perché siamo i primi a dimostrare che può effettivamente esistere come liquido di rotazione. Questa scoperta potrebbe aprire la porta a nuovi approcci nella progettazione di computer quantistici”.

Magneti frustrati in poche parole

Il magnetismo è un fenomeno collettivo in cui gli elettroni in un materiale ruotano tutti nella stessa direzione. Un esempio comune 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 stanno cercando di allineare i loro giri in direzioni opposte e quando si trovano in un reticolo triangolare non possono più stabilirsi in una disposizione comune e stabile. Il risultato: una calamita frustrata.


L’indagine computazionale conferma il primo liquido di spin quantico 3D


Maggiori informazioni:
EM Smith et al, Argomento per uno stato fondamentale di spin quantistico U (1) π liquido nel pirocloro Ce di dipolo-octupolo2Zr2o7,Controllo fisico X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015

Fornito dall’Università di Montreal

Citazione: Insolito stato quantistico della materia osservato per la prima volta (2022, 11 maggio), recuperato il 13 maggio 2022 da https://phys.org/news/2022-05-unusual-quantum-state.html

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