LA SUA FIRMA IN UN MATERIALE 2D

Osservato un nuovo stato della materia

Si chiama “quantum spin liquid”, ed è uno stato quantistico del quale s’era prevista l’esistenza una quarantina d’anni fa. Ma solo oggi, in un reticolo bidimensionale di tricloruro di rutenio, ne sono state rilevate le tracce. Sotto forma di fermioni di Majorana. Lo studio su Nature Materials

In quest’immagine, l’eccitazione d’un liquido di spin in un reticolo a nido d’ape con neutroni. Crediti: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

In quest’immagine, l’eccitazione con neutroni d’un liquido di spin in un reticolo a nido d’ape. Crediti: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

Quali sono gli stati della materia? C’era un tempo in cui la risposta era semplice: solido, liquido e gassoso. Con altrettanto semplici regolette empiriche per distinguerli l’uno dall’altro in base a forme e volumi. Poi le cose si sono fatte più complicate. E il numero di possibili stati è andato aumentando. Giocando con temperature e pressioni estreme, o indagando fenomeni altrettanto estremi già presenti in natura, ecco che hanno iniziato a fare la loro comparsa stati decisamente più stravaganti, come quello plasmatico, quello supercritico o i condensati di Bose-Einstein, per limitarci ai meno bizzarri fra gli esotici.

Ora la lista s’allunga ulteriormente. Il nuovo arrivato si chiama quantum spin liquid (QSL), è uno stato quantistico piuttosto misterioso che si potrebbe celare in alcuni materiali magnetici, e per quanto non ancora osservato in natura in realtà del tutto nuovo non è, essendo stato predetto una quarantina d’anni fa. La novità è che da oggi, della sua esistenza, abbiamo le prove.

Ma come riconoscere un materiale in stato quantum spin liquid? Scordatevi test alla portata di tutti, tipo metterlo in un recipiente per vedere se mantiene o meno proprietà a noi familiari. La firma del misterioso quantum spin liquid, spiegano gli autori d’uno studio appena pubblicato su Nature Materials, è che i suoi elettroni si “frazionalizzano”. In che cosa? Niente meno che in quegli ineffabili, mitici unicorni della fisica particellare che vanno sotto il nome di fermioni di Majorana.

E se non dovesse bastare, questa caratteristica, a saziare la vostra sete d’esotismo, bene, sentite allora come si comporta un materiale in stato QSL. Partiamo da un normale materiale magnetico, con gli elettroni che si “orientano” come se fossero essi stessi minuscole barre magnetizzate. Quando un simile materiale raggiunge temperature sufficientemente basse, i suoi “magneti” s’allineano, così che – per esempio – tutti i “poli nord” puntino nella stessa direzione. Al contrario, un materiale che si trovi in stato quantum spin liquid potete raffreddarlo quanto vi pare – anche fino allo zero assoluto, se ne siete capaci – ma le sue “barre magnetiche” continueranno a non allinearsi, optando invece per quella che i fisici, con ammirevole sforzo immaginifico, descrivono come “una zuppa d’entanglement frutto di fluttuazioni quantistiche”.

Insomma, già da questa vaga e sommaria descrizione dovrebbe essere chiaro che la stupenda immagine d’apertura è tutto fuorché una fotografia. E che questo singolare stato della materia difficilmente lo si incontra nella busta della spesa, anzi. Per imbattervisi, i fisici del Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee (USA), hanno cercato tracce della frazionalizzazione di cui parlavamo poc’anzi, usando la tecnica dello scattering non elastico di neutroni, in un materiale (quasi) bidimensionale: cristalli di tricloruro di rutenio (RuCl3). Ma non avevano la benché minima idea di come eventuali fermioni di Majorana si sarebbero comportati, di come sarebbero apparsi, in un quantum spin liquid.

«Fino a poco tempo, nemmeno sapevamo quali aspetto avrebbero avuto, in un quantum spin liquid, le impronte che stavamo cercadno», dice uno fra i coautori dello studio, Dmitry Kovrizhin, del Cavendish Laboratory. «La domanda che nei lavori precedenti ci eravamo posti, dunque, era proprio questa: se potessimo svolgere esperimenti su un quantum spin liquid, cosa dovremmo osservare?»

Ebbene, il pattern d’increspature prodotto dai neutroni usati per “illuminare” i cristalli di RuCl3 coincidono con le predizioni teoriche alle quali era giunto, nel 2014, un team guidato da un altro dei coautori di quest’ultimo studio, Johannes Knolle, del Cavendish Laboratory di Cambridge. Ed è quindi la prova che cercavano per poter dichiarare, come ha fatto lo stesso Knolle, d’essere davanti a «una nuova voce che si aggiunge al breve elenco di stati quantistici della materia oggi noti».

Per saperne di più:

Fonte: Media INAF | Scritto da Marco Malaspina