Osservato un nuovo stato della materia

A oltre quarant’anni dalla sua teorizzazione, i ricercatori hanno trovato le prove dell’esistenza in natura di un nuovo stato della materia denominato quantum spin liquid. L’esperimento, condotto su un materiale magnetico di struttura bidimensionale, come il grafene, ha coinvolto cinque istituzioni scientifiche tra le quali l’Università di Cambridge e il laboratorio nazionale di Oak Ridge, ed è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials.

“Si tratta di un nuovo stato quantico della materia, che era stato solo previsto ma mai osservato”, spiega Johannes Knolles, postdoc nel Laboratorio Cavendish che studia la teoria della materia condensata all’Università di Cambridge e uno dei coautori del paper. Sebbene fosse stato ipotizzato già nel 1973 dal premio nobel statunitense Philip Anderson, il quantum spin liquid era infatti considerato uno stato, sfuggente e misterioso, di alcuni materiali magnetici mai osservato in natura.

In un tipico materiale magnetico, gli elettroni si comportano come piccole calamite. Anche quando il materiale è esposto a temperature prossime allo zero assoluto, queste calamite si dispongono coerentemente, orientando tutti i “polo nord” nella stessa direzione. Ciò non accade nello stato di quantum spin liquid dove a causa delle fluttuazioni quantistiche, gli elettroni invece di orientarsi è come se si frazionalizzassero dando vita a una “zuppa di entanglement”.

Osservato un nuovo stato della materia
Frazionalizzazione di spin liquid in un reticolo a celle esagonali con neutroni (Cortesia: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory)

In accordo con uno dei principali modelli teorici che ne prevedeva la formazione, noto come modello di Kitaev, per la prima volta i ricercatori sono riusciti a osservare i prodotti di questa frazionalizzazione — noti come fermioni di Majorana — in una struttura

bidimensionale di cristalli di tricloruro di rutenio (RuCl3). Usando la tecnica dello scattering non elastico di neutroni, i ricercatori hanno irraggiato i cristalli con neutroni per studiare lo schema di increspature che questi producevano sullo schermo, alla ricerca di tracce della frazionalizzazione.

“Fino a non molto tempo fa non avevamo nemmeno idea di che cosa potesse risultare dall’impronta sperimentale”, dice Dmitry Kovrizhin, ricercatore nello stesso gruppo di Knolle, rivelando come gli studi precedenti non avessero definito lo scopo dell’esperimento quanto che cosa sarebbe apparso in un ipotetico quantum spin liquid. Lo spettro di eccitazione di un normale magnete avrebbe infatti lasciato tracce note mentre lo schema dei fermioni di Majorana era del tutto sconosciuto.

Ciò che i ricercatori hanno osservato sullo schermo combacia con la previsione di tracce definite e distinte teorizzata dal gruppo di Cambridge nel 2014, fornendo per la prima volta le prove dirette dell’esistenza del quantum spin liquid in un materiale esistente. In questo senso, l’osservazione della frazionalizzazione degli elettroni è una piacevole scoperta.

“Abbiamo fornito un piccolo ma importante contributo a quel poco che conosciamo dello stato quantico della materia – conclude Kovrizhin – Aprendo la strada a nuove ricerche”. Sia teoriche che pratiche: i fermioni di Majorana potrebbero infatti essere usati come componenti dei computer quantistici, molto più rapidi e dotati di una capacità di calcolo incomparabile con quella dei computer attuali.

Fonte: Le Scienze

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