Nuovi stati quantistici scoperti in un materiale magnetico

Un team di scienziati ha utilizzato la sorgente di neutroni BER II e il suo magnete ad alto campo per scoprire nuovi stati quantistici nel materiale SrCu2(BO3)2 sottoposto a campi magnetici estremi. La scoperta ha incluso una fase spin-nematica che assomiglia alla condensazione delle coppie di Cooper bosoniche, un fenomeno chiave nella superconduttività. Lo studio ha evidenziato l’utilità dello scattering di neutroni per esplorare aspetti sconosciuti dei materiali quantistici.

Stati quantistici di materiali innovativi

Un team di ricercatori guidati dalla Dottoressa Ellen Fogh del Laboratorio di magnetismo quantistico dell’EPFL ha condotto uno degli ultimi esperimenti sul magnete ad alto campo del BER. L’obiettivo è stato quello di misurare le proprietà quantistiche di materiali innovativi. Le loro scoperte, pubblicate in collaborazione con colleghi giapponesi, qatarioti e svizzeri, hanno offerto nuove intuizioni sul comportamento dei materiali quantistici in campi magnetici elevati.

Questo studio rappresenta un passo avanti significativo nella comprensione del magnetismo quantistico e apre la strada a nuove applicazioni in campi come l’elettronica e l’informatica quantistica.

Fogh ha dichiarato: “Il nostro esperimento al BER è stato fondamentale per ottenere questi risultati. Il magnete ad alto campo ci ha permesso di esplorare un regime di fisica quantistica che non era mai stato accessibile prima”.

Fogh ha sottolineato che molti stati quantistici sono visibili solo in condizioni estreme, come temperature prossime allo zero assoluto e campi magnetici superiori a 20 Tesla.

Neutroni svelano nuovi stati quantistici in un materiale magnetico

Per studiare questi effetti, il team del Centro Helmholtz di Berlino (HZB) ha installato un magnete ad alto campo unico presso la sorgente di neutroni BER II. Questo magnete è in grado di raggiungere quasi 26 Tesla, un’intensità di campo senza precedenti.

Fogh ha spiegato che la valutazione dei dati raccolti è stata un processo lungo e complesso. I dati sulla diffusione dei neutroni non forniscono un quadro immediato, ma necessitano di un’interpretazione accurata. Per ottenere questa interpretazione, il team ha collaborato con un gruppo di fisici teorici in un processo di scambio reciproco, i dati sperimentali sono stati confrontati con modelli teorici, perfezionandoli a vicenda. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.

Grazie a questo lavoro di collaborazione, il gruppo di ricerca è riuscito a ottenere risultati molto interessanti.

I ricercatori hanno analizzato campioni di SrCu2(BO3)2, un materiale che rappresenta un modello ideale per la frustrazione in sistemi di spin bidimensionali. Questo materiale è composto da coppie di spin disposte su un reticolo quadrato e che interagiscono tra loro in modo complesso. La geometria del sistema porta a stati quantistici non convenzionali, come l’entanglement e l’eccitazione di magnoni. L’ordine magnetico in questo tipo di materiali è stato spesso descritto come una condensazione di Bose-Einstein (BEC) dei magnoni.

Fogh e il suo team volevano scoprire se la condensazione di Bose-Einstein (BEC) dei magnoni si verifica anche nel sistema modello SrCu2(BO3)2 in presenza di campi magnetici elevati. In alternativa, hanno ipotizzato l’esistenza di un meccanismo differente.

Rivelare nuovi stati quantistici

Il team ha utilizzato lo strumento di diffusione di neutroni presso il magnete ad alto campo del BER II per misurare le eccitazioni di spin del materiale fino a un campo magnetico di 25,9 T. I dati sperimentali sono stati poi riprodotti con elevata precisione utilizzando modelli teorici. Gli esperimenti sono stati condotti a pressione ambiente e a temperature prossime allo zero assoluto (200 millikelvin).

L’analisi dei dati ha rivelato che sotto campi magnetici elevati si è formata una fase spin-nematica. In questa fase, al posto dei singoli magnoni, si condensano coppie di magnoni. I ricercatori hanno trovato un’analogia tra la fase spin-nematica e la superconduttività. In entrambi i casi, si è verificata una condensazione di coppie di bosoni.

I risultati hanno mostrato che gli esperimenti di diffusione dei neutroni in campi magnetici estremamente elevati possono essere utilizzati per esplorare regioni della materia precedentemente sconosciute, in particolare fasi correlate di sistemi a molti corpi. Fogh ha concluso: “In condizioni di forte frustrazione ed estremi controllati, si possono ancora trovare molti nuovi stati quantistici e ordini”.