I materiali magnetici ritenuti in grado di ospitare un liquido di spin quantistico hanno suscitato grande interesse per il loro potenziale di rivelare stati esotici della materia e far progredire il calcolo quantistico. Tuttavia, le apparenze nel mondo quantistico possono essere ingannevoli. Un nuovo studio pubblicato su Science Advances e condotto in collaborazione con Pengcheng Dai della Rice University dimostra che l’esalluminato di cerio e magnesio (CeMgAl 11 O 19 ), un tempo ritenuto appartenente a questa rara categoria, non è in realtà un liquido di spin quantistico.
“Il materiale era stato classificato come un liquido di spin quantistico a causa di due proprietà: l’osservazione di un continuum di stati e l’assenza di ordinamento magnetico”, ha affermato Bin Gao, co-primo autore e ricercatore scientifico presso la Rice University. “Tuttavia, un’osservazione più attenta del materiale ha dimostrato che la causa alla base di queste osservazioni non era una fase di liquido di spin quantistico.”
Come si comportano normalmente gli stati magnetici
Nei materiali isolanti come CeMgAl₁₁O₁₉ , possono assumere una delle due configurazioni: ferromagnetica o antiferromagnetica. Nello stato ferromagnetico gli ioni magnetici come il cerio , gli ioni si allineano nella stessa direzione, e ciascuno incoraggia i vicini a fare lo stesso. Nello stato antiferromagnetico, gli ioni vicini puntano in direzioni opposte, creando un diverso tipo di configurazione ordinata.
Gli scienziati possono osservare queste configurazioni raffreddando i materiali a temperature prossime allo zero assoluto. In queste condizioni, i materiali convenzionali si stabilizzano in un unico stato a bassa energia. Poiché tutti gli ioni si allineano nello stesso tipo di configurazione, i ricercatori in genere osservano una sola disposizione.
Cosa rende diversi i liquidi di spin quantistici?
I liquidi di spin quantistici si comportano in modo molto diverso. Invece di stabilizzarsi in un singolo stato fisso, oscillano continuamente tra molteplici stati a bassa energia attraverso effetti quantistici. Ciò comporta una distribuzione, o un continuum, di stati osservabili anziché un singolo stato. Ne consegue anche una mancanza di ordinamento magnetico, poiché possono manifestarsi contemporaneamente tendenze ferromagnetiche e antiferromagnetiche.
Il composto CeMgAl 11 O 19 ha mostrato entrambe queste caratteristiche chiave. Mancava di un chiaro ordine magnetico e presentava un continuum di stati, che inizialmente faceva pensare a un liquido di spin quantistico. Tuttavia, un’analisi più approfondita ha rivelato una spiegazione diversa. Il continuum osservato derivava da una degenerazione degli stati causata da interazioni ferromagnetiche e antiferromagnetiche in competizione, e non da un comportamento quantistico.
“Eravamo interessati a questo materiale, che presentava una serie di caratteristiche che non avevamo mai visto prima”, ha affermato Tong Chen, co-primo autore e ricercatore scientifico presso la Rice University. “Non si trattava di un liquido di spin quantistico, eppure stavamo osservando comportamenti che ritenevamo tipici dei liquidi di spin quantistici.”
Una sottile competizione magnetica
Per scoprire cosa stesse realmente accadendo, il team ha utilizzato la diffusione di neutroni insieme ad altre misurazioni precise. Hanno scoperto che il confine tra il comportamento ferromagnetico e quello antiferromagnetico in questo materiale è insolitamente debole. Ciò consente agli ioni magnetici di muoversi più liberamente tra i due stati invece di rimanere bloccati in un unico schema.
Di conseguenza, alcuni ioni si comportano in modo ferromagnetico mentre altri in modo antiferromagnetico all’interno della stessa struttura. Questa disposizione mista impedisce al sistema di formare un singolo stato ordinato e crea invece molte possibili configurazioni a bassa energia. Quando raffreddato a temperature prossime allo zero assoluto, il materiale può stabilizzarsi in una qualsiasi di queste configurazioni, producendo una gamma di stati osservati che assomigliano al continuum visto nei liquidi di spin quantistici. Tuttavia, a differenza di un vero liquido di spin quantistico, una volta che il materiale si stabilizza in uno stato, vi rimane e non passa da uno stato all’altro.
“La capacità unica di questo materiale di ‘scegliere’ tra diversi stati a bassa energia ha prodotto dati osservativi molto simili a quelli di uno stato di liquido di spin quantistico”, ha affermato Dai, autore corrispondente di questo studio. “Si tratta di un nuovo stato della materia che, a nostra conoscenza, siamo i primi a descrivere.”
Un promemoria sulla complessità quantistica
La scoperta mette in luce quanto complessi e sorprendenti possano essere i sistemi magnetici. Anche quando un materiale sembra corrispondere alle caratteristiche attese di uno stato quantistico, la fisica sottostante può raccontare una storia diversa.
Questo materiale unico, ha aggiunto Dai, ci ricorda quanto ancora non sappiamo del mondo quantistico. “Sottolinea l’importanza di un’attenta osservazione e di un’indagine approfondita dei dati.”
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