Gli scienziati dell’EPFL stanno aprendo nuovi orizzonti nel campo della fisica quantistica. Hanno rivelato il comportamento misterioso e unico di un materiale magnetico quantistico, indicando la strada per futuri progressi tecnologici.
Nel misterioso mondo dei materiali quantistici, il comportamento non può essere sempre previsto. Questi materiali hanno proprietà uniche governate dalle regole della meccanica quantistica. Il più delle volte questo significa che possono svolgere compiti che i materiali tradizionali non possono svolgere, come ad esempio condurre l’elettricità senza perdite o avere proprietà magnetiche potenzialmente utili in tecnologie all’avanguardia.
Magnoni nei materiali quantistici
Alcuni materiali quantistici sono attraversati da minuscole onde magnetiche chiamate magnoni, che si comportano in modi intriganti. La comprensione dei magnoni ci aiuta a svelare i segreti del funzionamento dei magneti a livello microscopico, essenziale per la prossima generazione di dispositivi elettronici e computer.
Gli scienziati hanno studiato il comportamento di questi magnoni sotto potenti campi magnetici e pensavano di sapere cosa aspettarsi... fino ad ora. In un recente studio, i ricercatori guidati da Henrik Rønnow e Frédéric Mila dell’EPFL hanno rivelato l’esistenza diun nuovo e inaspettato comportamento del materiale quantistico borato di stronzio e rame, SrCu2(BO3)2. Questo studio sfida la nostra attuale comprensione della fisica quantistica, ma suggerisce anche interessanti possibilità per le tecnologie future.
L’unico esempio conosciuto
Ma perché questo materiale? I dettagli sono piuttosto tecnici. SrCu2(BO3)2 è importante nel campo dei materiali quantistici perché è l’unico esempio reale conosciuto del "modello di Shastry-Sutherland", un quadro teorico per la comprensione di strutture in cui la disposizione e le interazioni degli atomi impediscono loro di stabilirsi in uno stato semplice e ordinato.
Queste strutture sono chiamate "reticoli altamente frustrati" e spesso conferiscono al materiale quantistico comportamenti e proprietà complessi e insoliti. Pertanto, la struttura unica di SrCu2(BO3)2 lo rende un candidato ideale per lo studio di fenomeni e transizioni quantistiche complesse.
Scattering di neutroni e campi magnetici massivi
< Per studiare i magnoni in SrCu2(BO3)2, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata scattering di neutroni. In breve, hanno inviato neutroni sul materiale e ne hanno misurato la deflessione. Lo scattering di neutroni è particolarmente efficace per studiare i materiali magnetici perché i neutroni, che hanno carica zero, possono decifrare il magnetismo senza essere disturbati dalla carica degli elettroni e dei nuclei del materiale.
Questo lavoro è stato svolto presso l’impianto di scattering neutronico ad alto campo dell’Helmholtz-Zentrum Berlin, in grado di sondare campi fino a 25,9 tesla. Questo livello di studio dei campi magnetici non ha precedenti e ha permesso agli scienziati di osservare direttamente il comportamento dei magnoni.
Hanno quindi combinato i dati con calcoli di matrice cilindrica-prodotto-stato. Questo metodo di calcolo ad alte prestazioni ha permesso di confermare le osservazioni sperimentali sulla diffusione dei neutroni e di comprendere il comportamento quantistico bidimensionale del materiale.
Una danza per due
Questo approccio unico ha rivelato qualcosa di sorprendente: invece di comportarsi come elementi singoli e indipendenti, come ci si aspettava, i magnoni del materiale si associavano, formando "stati collegati", come se due persone ballassero insieme invece di andare da sole.
Questa insolita associazione porta a un nuovo e inaspettato stato quantistico che ha implicazioni per le proprietà dei materiali: la "fase spin-natica". Prendiamo i magneti di un frigorifero: normalmente sono rivolti verso l’alto o verso il basso (è la rotazione), ma questa nuova fase non riguarda il modo in cui sono rivolti, ma piuttosto il modo in cui si allineano l’uno con l’altro, creando un modello unico.
Si tratta di una scoperta entusiasmante. Mostra un comportamento dei materiali magnetici mai osservato prima. Questa rivelazione di una regola nascosta della fisica quantistica potrebbe portare a nuovi modi di utilizzare i materiali magnetici per le tecnologie quantistiche che non abbiamo ancora considerato.
Referenze
Ellen Fogh, Mithilesh Nayak, Oleksandr Prokhnenko, Maciej Bartkowiak, Koji Munakata, Jian-Rui Soh, Alexandra A. Turrini, Mohamed E. Zayed, Ekaterina Pomjakushina, Hiroshi Kageyama, Hiroyuki Nojiri, Kazuhisa Kakurai, Bruce Normand, Frédéric Mila, Henrik M. Rønnow. Condensazione di stati legati indotta dal campo e fase spin-nematica in SrCu2(BO3)2 rivelata dallo scattering neutronico fino a 25,9 T. Nature Communications 10 gennaio 2024. DOI: 10.1038/s41467’023 -44115-z
