La tecnica del testimone quantistico rivela gli spinoni nel candidato liquido di spin quantistico

I fisici dell’University College Cork hanno sviluppato un nuovo approccio nella ricerca di un liquido di spin quantistico, uno stato di materia quantistica a lungo ricercato, simile a un liquido magnetico le cui proprietà quantistiche fanno sì che non congeli mai. Questo lavoro rappresenta un passo fondamentale nella ricerca del silicio quantistico, un minerale che potrebbe essere utilizzato per creare computer quantistici, proprio come il silicio viene utilizzato nei computer tradizionali. L’articolo risultante è stato pubblicato su Nature Physics .

Il professor Seamus Davis, autore principale dello studio, ha dichiarato: “Introducendo la tecnica del testimone quantistico, forniamo una prospettiva completamente nuova sulla fisica dei liquidi di spin quantistici e accediamo per la prima volta all’UCC direttamente alle loro eccitazioni quantistiche interne, o ‘spinoni‘”.

Quando i liquidi si raffreddano, si solidificano poiché i loro atomi cessano di muoversi. Tuttavia, alcuni liquidi, come l’elio, non congelano mai. Effetti quantistici predominanti fanno sì che scorrano come superfluidi anche allo zero assoluto (la temperatura più bassa possibile).

Il magnetismo di ogni singolo atomo è chiamato spin. In un liquido di spin quantistico, il campo magnetico complessivo di questi spin mantiene proprietà simili a quelle di un liquido, senza mai congelarsi in una configurazione fissa. Questo stato straordinario viene raggiunto grazie all’entanglement quantistico universale.

Perché l’Herbertsmithite è importante

Il dottor Felix Flicker (Università di Bristol), che ha guidato il lavoro teorico alla base dell’articolo, ha affermato: “Di solito, quando pensiamo all’entanglement quantistico, immaginiamo un esperimento accuratamente preparato su due o tre particelle. Ma in un liquido di spin quantistico, ogni spin si intreccia con ogni altro. Questo accade in natura; è possibile trovare questi cristalli sparsi per terra.”

Il team stava studiando un minerale chiamato Herbertsmithite, che prende il nome dal mineralogista britannico George Frederick Herbert Smith. Sintetizzata per la prima volta nel 2004, l’Herbertsmithite è il principale candidato a ospitare un liquido di spin quantistico.

Tuttavia, i precedenti tentativi di dimostrare che l’herbertsmithite forma un liquido di spin quantistico sono stati ostacolati dalla presenza di atomi di impurità magnetiche nel minerale. Questi studi precedenti hanno cercato di sottrarre gli effetti di spin delle impurità. Ma a basse temperature, gli spin delle impurità dominano completamente il segnale.

Trasformare le impurità in testimoni

La svolta in questo lavoro è stata quella di riconcettualizzare gli spin delle impurità come qubit (bit quantistici, la base dei computer quantistici) e quindi misurarne la dinamica, trattandoli come “testimoni” del liquido di spin quantistico. Ion Wood-Thanan, co-primo autore del lavoro, ha spiegato: “Gli spin testimoni interagiscono tra loro attraverso il liquido di spin quantistico. Misurando la dinamica degli spin testimoni, possiamo dedurre le proprietà del liquido di spin quantistico stesso”.

Il dottor Flicker ha proposto la seguente analogia: “Immaginate un vostro amico che vi chiama sott’acqua in una piscina. Potete sentirlo perché le vibrazioni si propagano attraverso l’acqua. Ora mettetevi alla stessa distanza sott’acqua, in mare. Sentirete la chiamata del vostro amico prima, poiché l’acqua di mare è più densa e quindi il suono viaggia più velocemente al suo interno. Pertanto, potete dedurre le proprietà dell’acqua ‘osservando’ il vostro amico. I testimoni nell’Herbertsmithite si chiamano a vicenda attraverso il liquido di spin quantistico.”

L’analogia con il suono va oltre. Per misurare gli spin testimoni, il team sperimentale ha impiegato una nuova tecnica sperimentale chiamata spettroscopia di spin testimoni . Questa tecnica utilizza un dispositivo di interferenza quantistica superconduttrice (SQUID) per effettuare alcune delle rilevazioni di flusso magnetico più sensibili mai realizzate. Lo SQUID è sensibile alla stessa gamma di frequenze di fluttuazioni magnetiche a cui l’orecchio umano è sensibile al suono.

Gli sperimentatori Jack Murphy (University College Cork) e Hiroto Takahashi (ora alla Princeton University) hanno utilizzato il loro dispositivo per misurare le fluttuazioni del campo magnetico ultra-debole generato spontaneamente dai cristalli di herbertsmithite. Il campo che hanno rilevato è circa un miliardo di volte più piccolo del campo magnetico sulla superficie terrestre. Il segnale magnetico assomigliava a un rumore casuale. Ma esistono molti tipi di rumore.

Prove a favore degli spin

Il rumore bianco è il più familiare. Ma il rumore rosa, che è più profondo, assomiglia alla miscela di suoni nella musica e a molti processi naturali. Un’analisi statistica dettagliata del rumore magnetico ha dimostrato che si tratta di una forma precisa di rumore rosa. Ciò ha permesso al team di identificare le interazioni tra i testimoni. Hanno scoperto che queste interazioni erano mediate da nuove particelle emergenti chiamate spinoni. Gli spinoni esistono solo in determinati stati della materia quantistica, in particolare nei liquidi di spin quantistici.

Gli spinoni sono attualmente oggetto di grande interesse per i fisici. L’entanglement quantistico che impedisce ai liquidi di spin quantistici di congelarsi potrebbe essere utilizzato per realizzare computer quantistici pratici. L’entanglement può essere compreso in termini di spinoni. Insieme a un’altra particella chiamata visone, essi possiedono la proprietà che il passaggio di uno attorno all’altro ne modifica la natura di entrambi. Questa è la base del calcolo quantistico topologico, una delle principali proposte per computer quantistici scalabili con correzione degli errori.

Sebbene le particelle presenti nell’herbertsmithite non abbiano esattamente la forma richiesta per il calcolo quantistico (si tratta di anioni abeliani, piuttosto che non abeliani), il presente studio fornisce alcune delle migliori prove finora raccolte della loro esistenza nei minerali naturali. Così come la crescita naturale del silicio è stata sfruttata per la realizzazione dei microchip, la crescita naturale della materia quantistica potrebbe un giorno portare alla creazione di computer quantistici pratici.

Ancora più importante, la spettroscopia di spin witness offre una via per controllare gli spinoni. Sulla base del lavoro attuale, altri gruppi stanno ora costruendo nuovi dispositivi per controllare i witness, scambiando informazioni quantistiche con i cristalli di herbertsmithite.

Astratto

Si ipotizza che il reticolo kagome di atomi di rame con spin 1/2 nell’herbertsmithite sostenga uno stato di liquido di spin quantistico con quasiparticelle di spinone. Idealmente, i piani cristallini kagome sono separati da un piano di atomi di zinco senza spin. Tuttavia, nei cristalli reali, alcuni atomi di rame con spin 1/2 si sostituiscono casualmente in questi siti di zinco inter-kagome. In questo lavoro, riconcettualizziamo tali atomi “impurità” come spin testimoni quantistici la cui dinamica è progettata per sondare lo stato di liquido di spin. Introduciamo quindi la spettroscopia del rumore di spin per misurare la dipendenza dalla frequenza e dalla temperatura della dinamica degli spin testimoni, dimostrando che la loro fenomenologia è coerente con ampie interazioni tra gli spin testimoni mediate dalla propagazione di spinoni attraverso un liquido di spin quantistico. Infine, si verifica una transizione netta intorno ai 260 mK, al di sotto della quale le proprietà sia del rumore di spin che della suscettibilità magnetica suggeriscono che gli spin testimoni formino una fase di vetro di spin. Tra i modelli teorici considerati, dimostriamo che le nostre osservazioni sono coerenti solo con interazioni mediate da spinoni tra spin testimoni da parte di un Z ₂ o liquido di spin quantistico U(1), con il primo modello che si adatta più da vicino ai dati. Il nostro lavoro dimostra che gli spin testimoni della meccanica quantistica possono ora essere potenzialmente utilizzati come sonda ampiamente applicabile della fisica del liquido di spin quantistico.

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