Scoperta rivoluzionaria in Meccanica Quantistica: i fisici scoprono un nuovo stato della materia chiamato liquido di spin quantistico

 

Un team internazionale di ricercatori, composto da scienziati svizzeri, francesi, canadesi e statunitensi, ha individuato per la prima volta un nuovo stato della materia a lungo ipotizzato nel campo della fisica quantistica: il cosiddetto “liquido di spin quantistico”. Questa scoperta potrebbe favorire importanti progressi nel settore dei computer quantistici e migliorare la nostra comprensione dei fenomeni fondamentali dell’universo.

Ma che cos’ha di così straordinario questo nuovo stato? Normalmente, quando consideriamo i materiali magnetici, ci aspettiamo che i "mini-magneti" (gli spin degli elettroni) si dispongano in modo ordinato. Nel caso del liquido di spin quantistico, invece, tali spin non si allineano rigidamente, ma restano in uno stato di fluttuazione costante. In pratica, si comportano come se stessero “danzando” ininterrottamente, generando una rete di interazioni quantistiche molto complessa.

La svolta è stata ottenuta esaminando un materiale chiamato "pirocloro stannato di cerio", usando tecniche molto avanzate come la diffusione di neutroni. Il lavoro sperimentale, guidato da Romain Sibille presso l’Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera, ha richiesto strumenti di altissima precisione, tra cui un particolare spettrometro situato presso l’Institut Laue-Langevin a Grenoble, in Francia.

Per capire meglio il fenomeno, si può immaginare che, a livello quantistico, gli spin degli elettroni interagiscano fra loro scambiandosi “messaggeri” simili a fotoni, ma molto più lenti. Questi “spinoni” e altre potenziali particelle esotiche - come i “visons”, ipotizzati da tempo - potrebbero persino comportarsi come monopoli magnetici in questo “universo in miniatura” contenuto all’interno del materiale.

“Le quasiparticelle di materia frazionaria, teorizzate da tempo nei liquidi di spin quantistici, richiedevano significativi progressi nella risoluzione sperimentale per essere testate in modo convincente in questo tipo di materiale”, ha dichiarato Romain Sibille, responsabile del team sperimentale presso il Paul Scherrer Institute in Svizzera.

“L’esperimento di diffusione neutronica è stato eseguito su uno spettrometro altamente specializzato presso l’Institut Laue-Langevin a Grenoble, in Francia, permettendoci di ottenere dati di risoluzione estremamente elevata”, ha aggiunto.

“La diffusione neutronica è uno strumento consolidato per analizzare il comportamento degli spin nei magneti”, ha commentato Andriy Nevidomskyy, professore associato di fisica e astronomia presso la Rice University, che ha condotto l’analisi teorica dei dati raccolti. “È tuttavia una sfida sviluppare un segnale inequivocabile e inequivocabilmente riconoscibile, una sorta di ‘prova lampante’, che dimostri la presenza di un liquido di spin quantistico nel materiale”, ha aggiunto.

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Secondo l’attuale comprensione della meccanica quantistica, gli elettroni possiedono una proprietà nota come spin. In altre parole, si comportano in modo analogo a minuscole calamite.

Quando gli elettroni interagiscono, i loro spin si allineano o si anti-allineano (cioè si dispongono nella direzione opposta). Tuttavia, questo allineamento/anti-allineamento può essere interrotto in alcuni materiali, come i piroclori.

Questo fenomeno è definito “frustrazione magnetica” e può creare condizioni in cui, spiegano i ricercatori, la meccanica quantistica si manifesta in modi interessanti, come la formazione di liquidi di spin quantistici. Nonostante il nome, questo fenomeno può emergere in vari stati della materia, inclusi i solidi.

Particelle quantistiche “parlanti”

L’effetto è così rilevante, hanno spiegato i ricercatori, che gli elettroni possono formare sovrapposizioni quantistiche tali da creare correlazioni fluide tra gli spin, come se questi fossero immersi in un liquido.

A livello quantistico, gli elettroni interagiscono tra loro emettendo e riassorbendo quanti di luce noti come fotoni. In modo analogo, in un liquido di spin quantistico, l’interazione tra gli spinon può essere descritta in termini di scambio di quanti simili alla luce,” ha dichiarato Nevidomskyy.

Il team ha spiegato che questi spinon potrebbero persino “dialogare” tra loro scambiandosi onde simili alla luce, ma molto più lente. Questa interazione è in qualche modo paragonabile allo scambio di fotoni tra gli elettroni nella teoria quantistica della luce.

“In seguito a questa scoperta, è ancora più entusiasmante cercare evidenze di particelle simili a monopoli in un universo giocattolo formato dagli spin degli elettroni in un pezzo di materiale”, ha detto Nevidomskyy.

Il team sta ora cercando altre particelle esotiche, come i “vison”, che potrebbero comportarsi come monopoli magnetici — un’idea teorica già avanzata decenni fa. Queste scoperte potrebbero approfondire la nostra comprensione dell’universo e del funzionamento della materia alle scale più piccole.

La ricerca non si fermerà qui: gli scienziati intendono proseguire le indagini per individuare nuove particelle e comprendere a fondo le interazioni quantistiche che danno origine a stati della materia così insoliti. Il tutto con l’obiettivo di gettare nuova luce sulla fisica fondamentale e sulle applicazioni in ambito tecnologico, ad esempio nei futuri computer quantistici.

Lo studio è stato pubblicato su Nature Physics

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1. Istituto Paul Scherrer (PSI)

   • Sito ufficiale: https://www.psi.ch/
     Qui è possibile trovare comunicati stampa e pubblicazioni riguardanti scoperte e ricerche svolte presso l’istituto svizzero.

2. Institut Laue-Langevin (ILL)

   • Sito ufficiale: https://www.ill.eu/
     L’ILL pubblica regolarmente notizie e risultati di esperimenti condotti con tecniche di diffusione di neutroni. Potreste trovare informazioni sulla ricerca del liquido di spin quantistico.

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