​​​​​​​L'investigazione computazionale conferma il primo liquido con spin quantistico 3D

Mar 21, 2024

HOUSTON – (10 maggio 2022) – Il lavoro investigativo computazionale condotto da fisici statunitensi e tedeschi ha confermato che il pirocloro di cerio e zirconio è un liquido a spin quantistico 3D.

Nonostante il nome, i liquidi a spin quantistico sono materiali solidi in cui l’entanglement quantistico e la disposizione geometrica degli atomi frustrano la naturale tendenza degli elettroni a ordinarsi magneticamente l’uno rispetto all’altro. La frustrazione geometrica in un liquido con spin quantistico è così grave che gli elettroni fluttuano tra stati magnetici quantistici, non importa quanto diventino freddi.

I fisici teorici lavorano abitualmente con modelli quantomeccanici che manifestano liquidi con spin quantistico, ma trovare prove convincenti della loro esistenza nei materiali fisici reali è stata una sfida lunga decenni. Sebbene un certo numero di materiali 2D o 3D siano stati proposti come possibili liquidi a spin quantistico, il fisico della Rice University Andriy Nevidomskyy ha affermato che non esiste un consenso consolidato tra i fisici sul fatto che qualcuno di essi si qualifichi.

Nevidomskyy spera che ciò possa cambiare sulla base delle indagini computazionali che lui e i suoi colleghi della Rice, della Florida State University e del Max Planck Institute for Physics of Complex Systems di Dresda, in Germania, hanno pubblicato questo mese sulla rivista ad accesso libero npj Quantum Materials.

“Sulla base di tutte le prove che abbiamo oggi, questo lavoro conferma che i singoli cristalli del pirocloro di cerio identificati come candidati liquidi con spin quantistico 3D nel 2019 sono effettivamente liquidi con spin quantistico con eccitazioni di spin frazionate”, ha affermato.

La proprietà intrinseca degli elettroni che porta al magnetismo è lo spin. Ogni elettrone si comporta come una minuscola barra magnetica con un polo nord e uno sud e, quando misurati, gli spin dei singoli elettroni puntano sempre verso l'alto o verso il basso. Nella maggior parte dei materiali di uso quotidiano, gli giri puntano verso l'alto o verso il basso in modo casuale. Ma gli elettroni sono antisociali per natura, e questo può far sì che, in alcune circostanze, dispongano i loro spin rispetto a quelli dei loro vicini. Nei magneti, ad esempio, gli spin sono disposti collettivamente nella stessa direzione, mentre negli antiferromagneti sono disposti secondo uno schema su-giù e su-giù.

A temperature molto basse, gli effetti quantistici diventano più evidenti, e questo fa sì che gli elettroni dispongano collettivamente i loro spin nella maggior parte dei materiali, anche quelli in cui gli spin punterebbero in direzioni casuali a temperatura ambiente. I liquidi a spin quantistico sono un controesempio in cui gli spin non puntano in una direzione definita, nemmeno verso l’alto o verso il basso, indipendentemente da quanto freddo diventi il ​​materiale.

“Un liquido a spin quantistico, per sua stessa natura, è un esempio di uno stato frazionato della materia”, ha affermato Nevidomskyy, professore associato di fisica e astronomia e membro sia della Rice Quantum Initiative che del Rice Center for Quantum Materials (RCQM) . “Le eccitazioni individuali non sono spin flip dall'alto verso il basso o viceversa. Sono questi oggetti bizzarri e delocalizzati che trasportano la metà di un grado di libertà di rotazione. È come metà di un giro.

Nevidomskyy faceva parte dello studio del 2019 condotto dal fisico sperimentale della Rice Pengcheng Dai che ha trovato la prima prova che il pirocloro di cerio e zirconio era un liquido a spin quantistico. I campioni del team sono stati i primi nel loro genere: piroclori per il loro rapporto 2:2:7 tra cerio, zirconio e ossigeno, e cristalli singoli perché gli atomi all'interno erano disposti in un reticolo continuo e ininterrotto. Gli esperimenti di diffusione anelastica dei neutroni condotti da Dai e colleghi hanno rivelato un segno distintivo del liquido con spin quantistico, un continuum di eccitazioni di spin misurate a temperature fino a 35 millikelvin.

"Si potrebbe sostenere che hanno trovato il sospettato e lo hanno accusato del crimine", ha detto Nevidomskyy. "Il nostro compito in questo nuovo studio era dimostrare alla giuria che il sospettato è colpevole."

Nevidomskyy e colleghi hanno costruito il loro caso utilizzando metodi Monte Carlo all'avanguardia, diagonalizzazione esatta e strumenti analitici per eseguire i calcoli della dinamica di spin per un modello quantomeccanico esistente di pirocloro di cerio e zirconio. Lo studio è stato concepito da Nevidomskyy e Roderich Moessner di Max Planck, e le simulazioni Monte Carlo sono state eseguite da Anish Bhardwaj e Hitesh Changlani di Florida State con il contributo di Han Yan di Rice e Shu Zhang di Max Planck.