Osservato il quantum spin liquid: un nuovo stato della materia?

Era stato previsto oltre 40 anni fa dal premio Nobel Philip Anderson, ma mai osservato prima. Si tratta del quantum spin liquid, un nuovo stato della materia la cui esistenza era stata ipotizzata per alcuni materiali magnetici, ma finora mai provata sperimentalmente. Ora una team internazionale di ricercatori è riuscito nell’impresa di individuarlo in un materiale bidimensionale simile al grafene, aprendo la strada verso nuovi sviluppi dell’informatica quantistica.

 

Una zuppa frutto di fluttuazioni quantistiche

Quanti sono gli stati della materia? I più conosciuti ovviamente sono lo stato solido, liquido e gassoso, ma addentrandosi nel mondo della meccanica quantistica, oppure osando condizioni “estreme” di temperatura o pressione, ecco che compaiono altri stati, decisamente meno conosciuti. Lo stato superliquido, il plasma, lo stato colloidale, il condensato di Bose-Einstein: sono solo alcuni esempi delle numerose configurazioni che può assumere la materia. Dalle pagine di Nature Materials arriva la notizia della scoperta di un nuovo stato, il quantum spin liquid (QSL) o, per dirla all’italiana, il liquido quantistico di spin.

Per capire di cosa si tratta, dal momento che non è certo uno stato della materia “tangibile” o facilmente osservabile nella quotidianità, bisogna fare uno sforzo di astrazione e coinvolgere lo spin degli elettroni. Lo spin è una proprietà intrinseca delle particelle che si può paragonare a un movimento di rotazione attorno ad un asse. Gli elettroni sono dotati anche di una carica elettrica quindi questo movimento, simile a quello di una trottola, conferisce loro anche le proprietà di una piccola calamita. In un normale materiale magnetico, infatti, gli elettroni si comportano proprio come le piccole barre magnetiche di una bussola. A temperature sufficientemente basse gli elettroni si “allineano” in modo tale da orientare tutti lo stesso polo nella stessa direzione. In un materiale che si trova nello stato di liquido quantistico di spin, invece, questo non avviene. Anche a temperature vicine allo zero assoluto gli elettroni non si allineano ma assumono piuttosto una disposizione disordinata definita dai fisici “zuppa di entanglement” frutto di fluttuazioni quantistiche.

La vera novità osservata dai fisici è il prodotto del bizzarro comportamento degli elettroni nello stato di QLS. Il processo al quale vanno incontro in questo particolare stato della materia, definito “frazionalizzazione“, da origine ai leggendari fermioni di Majorana. Si tratta della prima volta che queste particelle vengono osservate in un materiale reale.

 

Un nuovo stato della materia dove si nascondono i fermioni di Majorana 

Essendo uno stato della materia nuovo di zecca, gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee (USA), non avevano proprio idea di come cercare i fermioni di Majorana nel quantum spin liquid. La domanda di partenza era proprio: «se potessimo svolgere esperimenti su un quantum spin liquid, cosa dovremmo osservare?».

L’unico indizio prettamente teorico era dato da uno studio di  Johannes Knolle, del Cavendish Laboratory di Cambridge, coautore anche di quest’ultimo studio, che nel 2014 aveva predetto l’aspetto delle “impronte” che i fermioni di Majorana avrebbero dovuto lasciare in un liquido quantistico di spin. Con quest’unica informazione a supporto, gli scienziati hanno irraggiato dei cristalli di tricloruro di rutenio (RuCl3) con un fascio di neutroni osservando le tracce che il loro passaggio attraverso questo materiale lasciavano su di uno schermo. Se si fosse trattato di un normale magnete, le tracce avrebbero avuto un’aspetto conosciuto ai ricercatori, ma quello che hanno potuto osservare non era simile a nulla di noto ma, piuttosto, coincideva con le previsioni teoriche che Knolle aveva fatto qualche anno prima. Questa è stata la prova che serviva per poter dichiarare di essere di fronte al nuovo stato della materia ipotizzato e che, proprio in questo stato, si possono osservare i fermioni di Majorana.

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L’eccitazione con neutroni d’un liquido di spin in un reticolo a nido d’ape. Immagine: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

Una scoperta dal valore pratico 

Al di là del valore teorico della scoperta compiuta nei laboratori americani,  l’aver ottenuto e osservato i fermioni di Majorana in condizioni “reali” potrebbe aprire la strada verso nuovi sviluppi dell’informatica quantistica. Uno dei problemi principali legati a questa tecnologia riguarda proprio la natura delle particelle coinvolte che, interagendo con il mondo circostante, tendono a mutare le caratteristiche che rendono possibile memorizzare le informazioni (dette quantum bit). I fermioni di Majorana, al contrario, sono particelle prive di carica elettrica che poco interagiscono con il resto del mondo atomico e per questo sarebbero più adatte a memorizzare dati e informazioni quantistiche nei computer del futuro, molto più rapidi e potenti dei computer attuali.

 

Immagine box: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

immagine banner in evidenza: Wikipedia

 

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