Un gruppo di ricerca internazionale, incluso il Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- ha scoperto uno stato quantico che potrebbe essere descritto in questo modo. Gli scienziati sono riusciti a raffreddare un materiale speciale a una temperatura prossima allo zero assoluto. Hanno scoperto che una proprietà centrale degli atomi - il loro allineamento - non si "congela" come al solito, ma rimane in uno stato "liquido".
Nel quadro di materiali quantistici, gli elettroni interagiscono con insolita intensità, sia tra loro che con gli atomi del reticolo cristallino. Questa stretta connessione produce potenti effetti quantistici che influenzano i livelli microscopici e macroscopici. Questi fenomeni conferiscono ai materiali quantistici qualità straordinarie. Ad esempio, a basse temperature, possono trasportare elettricità senza perdite. Spesso anche piccole variazioni di temperatura, pressione o tensione elettrica sono sufficienti per alterare in modo significativo il comportamento di un materiale.
Il prof. Jochen Wosnitza del Dresden High Field Magnetic Laboratory (HLD) dell'HZDR ha dichiarato: “In linea di principio, anche i magneti possono essere considerati materiali quantistici; dopo tutto, il magnetismo si basa sullo Spin intrinseco degli elettroni nel materiale. In un certo senso, questi giri possono comportarsi come un liquido”.
"Quando le temperature scendono, questi giri disordinati possono congelarsi, proprio come l'acqua si congela nel ghiaccio".
“Ad esempio, alcuni tipi di magneti, i cosiddetti ferromagneti, sono non magnetici al di sopra del loro "congelamento", o più precisamente, punto di ordinazione. Solo quando scendono al di sotto possono diventare magneti permanenti.
In questo studio, gli scienziati hanno cercato di scoprire uno stato quantico in cui l'allineamento atomico associato agli spin non fosse ordinato, anche a temperature ultrafredde, simile a un liquido che non si solidificherà, anche in condizioni di freddo estremo.
Per raggiungere questo stato, il team di ricerca ha utilizzato una sostanza unica, una miscela di praseodimio, zirconio e ossigeno. Credevano che le caratteristiche del reticolo cristallino in questo materiale avrebbero consentito agli spin degli elettroni di interagire in modo univoco con i loro orbitali attorno agli atomi.
Il prof. Satoru Nakatsuji dell'Università di Tokyo ha dichiarato: “Il prerequisito, però, era avere cristalli di estrema purezza e qualità. Ci sono voluti diversi tentativi, ma alla fine il team è stato in grado di produrre cristalli abbastanza puri per il loro esperimento: in un criostato, una specie di super thermos, gli esperti hanno gradualmente raffreddato il loro campione fino a 20 millikelvin - solo un cinquantesimo di grado sopra lo zero assoluto. Per vedere come il campione ha risposto a questo processo di raffreddamento e all'interno del campo magnetico, hanno misurato quanto è cambiato in lunghezza. In un altro esperimento, il gruppo ha registrato come il cristallo ha reagito alle onde ultrasoniche inviate direttamente attraverso di esso.
Il dottor Sergei Zherlitsyn, esperto di HLD nelle indagini ecografiche, descrive, “Se gli spin fossero stati ordinati, avrebbe dovuto causare un brusco cambiamento nel comportamento del cristallo, come un improvviso cambiamento di lunghezza. Eppure, come abbiamo osservato, non è successo niente! Non ci sono stati cambiamenti improvvisi né nella lunghezza né nella sua risposta onde ultrasoniche. "
“La pronunciata interazione di spin e orbitali aveva impedito l'ordine, motivo per cui gli atomi sono rimasti nel loro stato quantico liquido – la prima volta che è stato osservato un tale stato quantico. Ulteriori indagini sui campi magnetici hanno confermato questa ipotesi”.
Jochen Wosnitza specula, “Questo risultato di ricerca di base potrebbe anche avere implicazioni pratiche un giorno: a un certo punto, potremmo essere in grado di utilizzare il nuovo stato quantico per sviluppare sensori quantistici suscettibili. Per fare questo, tuttavia, dobbiamo ancora capire come generare sistematicamente eccitazioni in questo stato. Il rilevamento quantistico è considerato una tecnologia promettente del futuro. Poiché la loro natura quantistica li rende estremamente sensibili agli stimoli esterni, i sensori quantistici possono registrare campi magnetici o temperature con una precisione molto maggiore rispetto ai sensori convenzionali».
Riferimento della Gazzetta:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Stato liquido spin-orbitale e transizione metamagnetica liquido-gas su un reticolo di pirocloro. Nat. FiS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
