La nuova fase non è letteralmente fuoco e ghiaccio, ma un modo per descrivere gli stati di spin degli elettroni. Uno stato esotico della materia è stato trovato nascosto all’interno di un precedente stato esotico scoperto in un composto magnetico lo scorso decennio. Nel 2016, i fisici Weiguo Yin, Christopher Roth e Alexei Tsvelik del Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti hanno identificato quella che hanno definito una fase di “mezzo fuoco, mezzo ghiaccio” degli stati di spin in Sr3CuIrO6, un mix di stronzio, rame, iridio e ossigeno. Ora, hanno trovato l’opposto: una fase di mezzo ghiaccio, mezzo fuoco, in cui gli elettroni all’interno di due diverse strutture scambiano comportamenti. Critico per la scoperta è un concetto chiamato frustrazione, una descrizione delle interazioni tra particelle vicine. Cambia un pezzo del puzzle, un cambiamento nel comportamento può propagarsi attraverso il sistema come un cambiamento di fase. Nel materiale mezzo fuoco, mezzo ghiaccio del team, gli spin degli elettroni su un reticolo di atomi di rame sono disordinati come le fiamme tremolanti di un inferno. Quelli dei siti di iridio sono congelati in posizione, conferendo loro una maggiore attrazione magnetica. Far muovere questa formazione sembrava impossibile secondo uno standard matematico di cambiamento di fase. Tuttavia, una scoperta critica ha portato il team a trovare un cambiamento di temperatura definito che capovolge l’intero stato. Questa reversibilità è la svolta che Yin e Tsevik stavano cercando: la chiave per sbloccare il potenziale di Sr3CuIrO6 per la scienza dell’informazione quantistica e la microelettronica. “Trovare nuovi stati con proprietà fisiche esotiche e essere in grado di comprendere e controllare le transizioni tra questi stati sono problemi centrali nei campi della fisica della materia condensata e della scienza dei materiali,” dice Yin. “Risolvere questi problemi potrebbe portare a grandi progressi in tecnologie come il calcolo quantistico e la spintronica.” I materiali magnetici possono assumere diverse forme. Nel materiale ferromagnetico convenzionale, come il ferro, gli spin delle particelle sono tutti allineati nella stessa direzione. Un ferrimagnete è uno in cui si trovano due stati di spin, come Sr3CuIrO6. Come descritto nel documento del team del 2024 sulla loro scoperta del 2016, la strana fase di mezzo fuoco, mezzo ghiaccio può essere indotta da un campo magnetico esterno, ed è piuttosto sorprendente. Gli spin del rame cadono in un disordine totale, mentre gli spin dell’iridio si regimentano come soldati sull’attenti. Questo è piuttosto interessante, ma non molto utile da solo. I qubit, ad esempio, le unità di base del calcolo quantistico, possono essere basati sugli spin degli elettroni, ma quegli spin devono essere in grado di mostrare i diversi valori del sistema binario. E i qubit regolabili, quelli i cui spin possono essere manipolati, sono ancora più utili. “Nonostante le nostre ricerche estese, non sapevamo ancora come questo stato potesse essere utilizzato, soprattutto perché è noto da un secolo che il modello di Ising unidimensionale, un modello matematico consolidato del ferromagnetismo che produce lo stato di mezzo fuoco, mezzo ghiaccio, non ospita una transizione di fase a temperatura finita,” spiega Tsvelik. ”Ci mancavano pezzi del puzzle.” Quei pezzi si sono uniti nel nuovo lavoro del team. Hanno scoperto che, all’interno di un intervallo di temperatura molto ristretto e finito, si nasconde un gemello nascosto di mezzo fuoco, mezzo ghiaccio; cioè, mezzo ghiaccio, mezzo fuoco, in cui il rame diventa ordinato e l’iridio cade nel disordine. Questo non solo apre strade per future ricerche su fasi nascoste e le loro transizioni, ma significa anche che il cambiamento di fase può essere strettamente controllato, aprendo un intero regno di potenziali applicazioni quantistiche. È importante notare, tuttavia, che questo è solo un passo nel percorso. “Il prossimo passo sarà esplorare il fenomeno fuoco-ghiaccio in sistemi con spin quantistici e con ulteriori gradi di libertà di reticolo, carica e orbitali,” dice Yin. “La porta verso nuove possibilità è ora spalancata.” La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.
Nuova fase della materia ‘metà ghiaccio, metà fuoco’ trovata nascosta in un magnete
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