Scoperta la prova di un "liquido di spin quantistico" a lungo ricercato
Dopo decenni di ricerche, potrebbe essere stato finalmente trovato un nuovo stato esotico della materia: un team di ricerca internazionale presenta prove convincenti
Fin dagli anni '70, gli scienziati hanno ipotizzato l'esistenza di materiali che presentano una forma molto particolare di disordine magnetico, i cosiddetti liquidi di spin quantistico (QSL).
Tali materiali sono di grande interesse per diversi motivi. Potrebbero essere la chiave per lo sviluppo di nuovi tipi di superconduttori e potrebbero aprire nuove possibilità nel campo dell'informatica quantistica e delle tecnologie correlate. Ma i veri liquidi di spin quantistici si sono dimostrati estremamente difficili da trovare. Sono stati fatti molti esperimenti, in particolare su materiali bidimensionali. Ma anche se sono state trovate caratteristiche promettenti di un QSL, non c'è mai stato un pieno accordo tra esperimento e teoria.
Ora, un team internazionale che coinvolge la TU Wien, la Rice University in Texas, l'Università di Toronto, la Rutgers University e diverse strutture di diffusione neutronica ha identificato il primo candidato convincente per un vero e proprio liquido di spin quantistico tridimensionale. Gli esperimenti condotti sullo zirconato di cerio (Ce₂Zr₂O₇) hanno rivelato le firme chiave che ci si aspetta da uno stato di questo tipo, tra cui i cosiddetti fotoni emergenti. Non si tratta di fotoni veri e propri, ma di eccitazioni magnetiche all'interno del materiale che si comportano in modo straordinariamente simile ai fotoni. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Physics.
Magneti ordinati, liquidi disordinati
Nei magneti ordinari, gli spin - il momento angolare quantomeccanico delle particelle - si allineano in schemi regolari. Per esempio, in un ferromagnete, tutti gli spin puntano nella stessa direzione al di sotto di una certa temperatura critica.
Ma ci sono anche materiali in cui, anche allo zero assoluto, gli spin si rifiutano di stabilirsi in una configurazione statica. Rimangono invece in uno stato di costante fluttuazione quantistica.
"Si comportano come una forma liquida di magnetismo, senza alcun ordine fisso", spiega la prof.ssa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien.
Un liquido di spin quantistico non è quindi un liquido nel senso tradizionale del termine, ma un cristallo solido. Il termine "liquido" si riferisce all'assenza di ordine magnetico nel sistema di spin.
Sebbene i singoli spin in un sistema di questo tipo rimangano disordinati e puntino in varie direzioni, sono ancora entangled dal punto di vista quantomeccanico. Le loro direzioni sembrano casuali, ma sono fondamentalmente collegate: Una misurazione di uno spin può influenzare lo stato degli altri. Questo entanglement è ciò che rende i liquidi di spin quantistici una piattaforma così promettente per le future tecnologie quantistiche.
Fotoni emergenti: la luce che non è luce
Dimostrare che un materiale forma davvero un liquido di spin quantistico è eccezionalmente difficile.
"È proprio per questo che una vera svolta in questo campo è rimasta elusiva per decenni", spiega Silke Bühler-Paschen. "Abbiamo studiato lo zirconato di cerio, che forma una rete tridimensionale di spin e non mostra alcun ordinamento magnetico nemmeno a temperature di 20 millikelvin. Per la prima volta, siamo stati in grado di rilevare segnali che indicano fortemente la presenza di un liquido di spin quantistico tridimensionale, in particolare la presenza dei cosiddetti fotoni emergenti".
Proprio come le onde possono viaggiare attraverso l'acqua liquida quando questa viene disturbata, le onde possono propagarsi attraverso il sistema di spin di un liquido di spin quantistico. Queste onde si comportano per molti versi come la luce, anche se non sono di natura elettromagnetica, ma piuttosto eccitazioni collettive di un gran numero di spin. Tuttavia, dal punto di vista matematico, seguono le stesse equazioni dei fotoni reali nell'elettrodinamica. I segnali osservati corrispondono alle previsioni teoriche in termini di energia, quantità di moto e polarizzazione.
"La scoperta di questi fotoni emergenti nello zirconato di cerio è un'indicazione molto forte del fatto che abbiamo effettivamente trovato un liquido di spin quantistico", afferma Silke Bühler-Paschen. "Abbiamo in programma di condurre ulteriori esperimenti, ma dal nostro punto di vista lo zirconato di cerio è attualmente il candidato più convincente per un liquido di spin quantistico". Sono già in programma ulteriori studi ad alta risoluzione e indagini su materiali correlati.
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Pubblicazione originale
Bin Gao, Félix Desrochers, David W. Tam, Diana M. Kirschbaum, Paul Steffens, Arno Hiess, Duy Ha Nguyen, Yixi Su, Sang-Wook Cheong, Silke Paschen, Yong Baek Kim, Pengcheng Dai; "Neutron scattering and thermodynamic evidence for emergent photons and fractionalization in a pyrochlore spin ice"; Nature Physics, 2025-6-19
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