Tre un metodo con tre principi determina le caratteristiche dei liquidi di spin quantistici.

16 novembre 2023

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a cura di Elizabeth Rosenthal, Oak Ridge National Laboratory

Nel 1973, il fisico Phil Anderson ipotizzò che lo stato di liquidità quantistica dello spin, o QSL, esistesse su alcune reti triangolari, ma non aveva gli strumenti per approfondire. Cinquant'anni dopo, un team di ricercatori del Quantum Science Center con sede presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha confermato la presenza del comportamento QSL in un nuovo materiale con questa struttura, il KYbSe2.

QSL - uno stato insolito della materia controllato dalle interazioni tra atomi magnetici intrecciati, o intrinsecamente legati, chiamati spin - eccellevano nella stabilizzazione dell'attività meccanica quantistica in KYbSe2 e altre delafossite. Questi materiali sono apprezzati per le loro reti triangolari stratificate e le proprietà promettenti che potrebbero contribuire alla realizzazione di superconduttori di alta qualità e componenti di calcolo quantistico.

L'articolo, pubblicato su Nature Physics, vede la partecipazione di ricercatori provenienti da ORNL; Lawrence Berkeley National Laboratory; Los Alamos National Laboratory; SLAC National Accelerator Laboratory; University of Tennessee, Knoxville; University of Missouri; University of Minnesota; Stanford University; e Rosario Physics Institute.

"I ricercatori hanno studiato le reti triangolari di vari materiali alla ricerca del comportamento QSL", ha affermato Allen Scheie, membro di QSC e autore principale dello studio, nonché scienziato presso Los Alamos. "Uno dei vantaggi di questo materiale è la possibilità di sostituire facilmente gli atomi per modificare le proprietà del materiale senza alterarne la struttura, il che lo rende abbastanza ideale dal punto di vista scientifico".

Utilizzando una combinazione di tecniche teoriche, sperimentali e computazionali, il team ha osservato molteplici caratteristiche tipiche dei QSL: intrinsecamente intrecciati, quasiparticelle esotiche e un giusto equilibrio tra le interazioni di scambio, che controllano come uno spin influisce sui suoi vicini. Sebbene gli sforzi per identificare queste caratteristiche siano stati storicamente ostacolati dai limiti degli esperimenti fisici, strumenti moderni di scattering neutronico possono produrre misurazioni accurate di materiali complessi a livello atomico.

Studiando la dinamica di spin di KYbSe2 con il Cold Neutron Chopper Spectrometer presso la Spallation Neutron Source di ORNL - una struttura di ricerca dell'Ufficio delle Scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti - e confrontando i risultati con modelli teorici affidabili, i ricercatori hanno trovato prove che il materiale fosse vicino al punto critico quantistico in cui le caratteristiche QSL prosperano. Hanno quindi analizzato lo stato magnetico di un singolo ione con il Wide-Angular-Range Chopper Spectrometer del SNS.

I fattori presi in considerazione includono l'entanglement quantistico, le quasiparticelle esotiche e le informazioni quantistiche di Fisher. KYbSe2 è un sistema bidimensionale, una caratteristica che ha reso questi sforzi più complessi.

"Stiamo adottando un approccio di co-design, che è integrato nel QSC", ha affermato Alan Tennant, professore di fisica e scienza dei materiali e ingegneria presso UTK, che guida un progetto sui magneti quantistici per il QSC. "I teorici all'interno del centro stanno calcolando cose che non erano riusciti a calcolare in precedenza, e questa sovrapposizione tra teoria e sperimento ha permesso questa svolta nella ricerca sui QSL".

Questo studio si allinea con le priorità del QSC, che includono il collegamento della ricerca fondamentale con l'elettronica quantistica, i magneti quantistici e altri dispositivi quantistici attuali e futuri.

"Acquisire una migliore comprensione dei QSL è molto significativo per lo sviluppo delle tecnologie di nuova generazione", ha dichiarato Tennant. "Questo campo è ancora in uno stato di ricerca fondamentale, ma ora possiamo identificare quali materiali possiamo modificare per creare dispositivi di piccola scala da zero".

Nonostante KYbSe2 non sia un vero QSL, il fatto che circa l'85% del magnetismo fluttui a bassa temperatura significa che ha il potenziale per diventarlo. I ricercatori prevedono che piccole modifiche alla sua struttura o l'esposizione a una pressione esterna potrebbero aiutare a raggiungere il 100%.

Gli sperimentatori e gli scienziati computazionali del QSC stanno pianificando studi e simulazioni parallele focalizzate sui materiali delafossite, ma i risultati della ricerca dei ricercatori hanno stabilito un protocollo senza precedenti che può essere applicato anche allo studio di altri sistemi. Semplicificando le valutazioni basate sulle prove dei candidati QSL, mirano ad accelerare la ricerca di QSL autentici.

'The important thing about this material is that we've found a way to orient ourselves on the map so to speak and show what we've gotten right,' Scheie said. 'We're pretty sure there's a full QSL somewhere within this chemical space, and now we know how to find it.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Oak Ridge National Laboratory