È stato appena scoperto un nuovo stato della materia

I quantum spin liquid sembrano andare oltre le leggi della natura.

|
05 aprile 2016, 9:27am

Immagine: Getty/PM Images

I fisici hanno finalmente osservato in un materiale reale l'esistenza di un nuovo, misterioso stato della materia conosciuto come quantum spin liquid.

Questa scoperta non è incredibile solo per il suo mero essersi consumata, ma anche perché genera una serie di possibilità tutte nuove nel campo del quantum computing. I fisici del Massachusetts Institute of Technology hanno teorizzato che i quantum spin liquid potrebbero aiutare a immagazzinare dati, migliorare i calcoli e prevenire il decadimento della grande spina nel fianco del quantum computing: il cosiddetto "qubit."

Secondo un professore del MIT, i quantum spin liquid potrebbero potenzialmente eliminare le impurità che si trovati attorno ai qubit che potrebbero causare il loro cambiamento improvviso di stato quantico.

Stimolazione di uno spin liquid su un nido d'ape di lattice con neutroni. Immagine: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

"Si tratta di un traguardo importante per la nostra comprensione della materia quantica," ha spiegato il co-autore dello studio Dmitry Kovrizhin, un fisico della materia condensata dell'Università di Cambridge, in una dichiarazione. "È quasi divertente avere a che fare con un nuovo stato quantico che non avevamo mai visto prima—Si presenta a noi con nuove possibilità per provare a fare diverse cose."

Un team internazionale di ricercatori avevamo teorizzato l'esistenza del quantum spin liquid 40 anni fa, e la loro esistenza era stata confermata la prima volta nel 2012 quando i fisici del National Institute of Standards and Technology rilevarono la presenza di uno stato spin liquid in un minerale chiamato Herbertsmithite.

I quantum spin liquid, secondo il nuovo studio pubblicato su Nature Materials, sono conosciuti per la loro proprietà di divisione degli elettroni, ma i ricercatori non avevano mai osservato il verificarsi di questo processo in un materiale reale. Questo nuovo stato della materia fa sì che gli elettroni—"che si pensava fossero i mattoni indivisibili della natura"—si dividano in frazioni di particelle chiamate fermioni di Majorana, che i fisici hanno potuto recentemente rilevare in un materiale bi-dimensionale simile al grafene.

"Fino a poco tempo fa, non avevamo nemmeno idea di che aspetto potessero avere le tracce sperimentali dei quantum spin liquid," ha detto il Dr. Kovrizhin. "Nei precedenti esperimenti, portando avanti degli esperimenti sui quantum spin liquid, ci chiedevamo: che cosa staremmo mai cercando?"

I ricercatori hanno potuto usare le tecniche di frammentazione di neutroni per far coincidire i loro risultati con quelli di uno dei principali modelli teoretici per i quantum spin liquid, conosciuto come il modello Kitaev, spiega lo studio.

Per comprendere come funzionano i quantum spin liquid, si può pensare a come funziona un normale magnete. Nei materiali magnetici, gli elettroni si comporteranno come barre magnetiche rotanti che si allineano tra di loro secondo i loro poli magnetici, quando vengono raffreddati a una temperatura abbastanza bassa.

In materiale magnetico che contiene uno spin liquid state, questi elettroni fluttuano costanti e "anche se il materiale viene raffreddato fino allo zero assoluto, le barre magnetiche non si allinea ma formano una massa interlacciata prodotta dalle fluttuazioni quantiche," hanno scoperto i ricercatori.

Per rilevare queste fluttuazioni, i fisici hanno osservato gli elettroni nel loro materiale di prova, il cloruro alpha-ruthenium, e hanno scoperto un pattern creato nel quantum spin liquid che corrispondeva a quelli predetti nelle precedenti teorie.