Spinoni di Dirac scoperti in un nuovo materiale

I ricercatori dell’HKU hanno scoperto gli spinoni di Dirac nel materiale YCu3-Br, fornendo la prova di uno stato liquido con spin quantistico

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Spinoni di Dirac scoperti in un nuovo materiale
Spinoni di Dirac scoperti in un nuovo materiale

I ricercatori dell’HKU hanno scoperto gli spinoni di Dirac nel materiale YCu3-Br, fornendo la prova di uno stato liquido con spin quantistico e facendo avanzare potenzialmente le applicazioni nell’informatica quantistica e nella superconduttività ad alta temperatura.

UN. Diagramma schematico delle eccitazioni coniche degli spinoni di Dirac e dello spettro continuo conico formato da due spinoni. B. Diagramma schematico delle eccitazioni di spin conico in YCu3(OH)6Br2[Br0.33(OD)0.67]. C. Relazione tra metà larghezza a metà massimo ed energia. La linea continua rappresenta un adattamento lineare. D. Un'immagine ingrandita di alcuni cristalli co-allineati e la vista frontale di campioni co-allineati su due piastre di Cu. Credito: Università di Hong Kong
UN. Diagramma schematico delle eccitazioni coniche degli spinoni di Dirac e dello spettro continuo conico formato da due spinoni. B. Diagramma schematico delle eccitazioni di spin conico in YCu3(OH)6Br2[Br0.33(OD)0.67]. C. Relazione tra metà larghezza a metà massimo ed energia. La linea continua rappresenta un adattamento lineare. D. Un’immagine ingrandita di alcuni cristalli co-allineati e la vista frontale di campioni co-allineati su due piastre di Cu. Credito: Università di Hong Kong

Spinoni di Dirac: rivoluzione per informatica quantistica e superconduttività

Le quasiparticelle sono entità affascinanti che nascono dal comportamento collettivo all’interno dei materiali e possono essere trattate come un gruppo di particelle. Nello specifico, si prevede che gli spinoni di Dirac mostrino caratteristiche uniche simili alle particelle di Dirac nella fisica delle alte energie e agli elettroni di Dirac nel grafene e nei materiali quantistici moiré, come una relazione di dispersione lineare tra energia e quantità di moto. Tuttavia, fino a questo lavoro, le quasiparticelle con carica neutra e spin ½ non erano state osservate nei magneti quantistici.

Le quasiparticelle, come gli spinoni di Dirac mostrano caratteristiche uniche, come una relazione lineare energia-momento. I ricercatori dell’HKU hanno trovato prove di questi spinoni in YCu3-Br, un materiale con un reticolo kagome, utilizzando tecniche avanzate per superare sfide sperimentali significative. 

Il professor Meng, fisico della HKU e uno degli autori corrispondenti dell’articolo pubblicato sulla rivista Nature Physics, ha dichiarato: “Trovare gli spinoni di Dirac nei magneti quantistici è stato il sogno di generazioni di fisici della materia condensata; ora che ne abbiamo visto le prove, si può iniziare a pensare alle innumerevoli potenziali applicazioni di un materiale quantistico così altamente correlato. Chissà, forse un giorno le persone costruiranno computer quantistici con esso, proprio come hanno fatto nell’ultimo mezzo secolo con il silicio”.

Il dottor Chengkang Zhou (a sinistra) e il professor Zi Yang Meng (a destra) del Dipartimento di Fisica dell'Università di Hong Kong. Credito: Università di Hong Kong
Il dottor Chengkang Zhou (a sinistra) e il professor Zi Yang Meng (a destra) del Dipartimento di Fisica dell’Università di Hong Kong. Credito: Università di Hong Kong

Gli spinoni di Dirac aprono nuove strade

L’indagine del team si è concentrata su un materiale unico noto come YCu3-Br, caratterizzato da una struttura reticolare kagome che porta alla comparsa di queste sfuggenti quasiparticelle. Studi precedenti avevano accennato al potenziale del materiale di mostrare uno stato liquido con spin quantistico, rendendolo un candidato ideale per l’esplorazione.



Per consentire l’osservazione degli spinoni in YCu3-Br, il gruppo di ricerca ha superato numerose sfide assemblando insieme circa 5.000 cristalli singoli, soddisfacendo i requisiti per condurre esperimenti come la diffusione anelastica di neutroni.

Utilizzando questa tecnica, il team ha sondato le eccitazioni di spin del materiale e ha osservato intriganti modelli di continuum di spin conico, che ricordano il caratteristico cono di Dirac. Anche se il rilevamento diretto di un singolo spinone si è rivelato impegnativo a causa delle limitazioni sperimentali, i ricercatori hanno confrontato i risultati con le previsioni teoriche, rivelando caratteristiche spettrali distinte indicative della presenza di spinoni nel materiale.

Trovare prove spettrali delle eccitazioni dello spinone di Dirac è sempre stata una sfida. Questa scoperta fornisce prove convincenti dell’esistenza di uno stato liquido con spin quantistico di Dirac, che può essere simile a un chiaro grido che taglia la nebbia dell’indagine spettrale sullo stato liquido con spin quantistico.

Eccitazioni di spin in YCu3(OD)6[Br0.33(OD)0.67] misurate tramite la diffusione dei neutroni. e,f, grafici del contorno dell'intensità dei risultati dell'INS in funzione di E e Q lungo la direzione [H, 0] a 0,3 K (e) e 30 K (f). Credito: Università di Hong Kong
Eccitazioni di spin in YCu3(OD)6[Br0.33(OD)0.67] misurate tramite la diffusione dei neutroni. e,f, grafici del contorno dell’intensità dei risultati dell’INS in funzione di E e Q lungo la direzione [H, 0] a 0,3 K (e) e 30 K (f). Credito: Università di Hong Kong

Spinoni di Dirac: nuove applicazioni in vista per YCu3-Br

I risultati non solo fanno avanzare la nostra comprensione fondamentale della fisica della materia condensata, ma aprono anche le porte per ulteriori esplorazioni sulle proprietà e sulle applicazioni di YCu3-Br.

Caratterizzato dalla presenza di eccitazioni spinoniche frazionarie, lo stato liquido con spin quantistico è potenzialmente rilevante per la superconduttività ad alta temperatura e l’informazione quantistica.

In questo stato gli spin sono molto aggrovigliati e rimangono disordinati anche a basse temperature. Pertanto, lo studio dei segnali spettrali derivanti dagli spinoni che obbediscono all’equazione di Dirac fornirebbe una comprensione più ampia dello stato liquido della materia con spin quantistico. Tale comprensione funge anche da guida verso le sue applicazioni più ampie, inclusa l’esplorazione della superconduttività ad alta temperatura e dell’informazione quantistica.

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