I liquidi a spin quantistico sono affascinanti sistemi quantistici che hanno recentemente attirato una significativa attenzione da parte della ricerca. Questi sistemi sono caratterizzati da una forte competizione tra le interazioni, che impedisce lo stabilirsi di un ordine magnetico a lungo raggio, come quello osservato nei magneti convenzionali, dove tutti gli spin si allineano lungo la stessa direzione per produrre un campo magnetico netto.
I ricercatori dell’Università di Toronto hanno recentemente introdotto un quadro che potrebbe facilitare l’osservazione sperimentale di un nuovo liquido con spin quantistico 3D noto come ghiaccio di spin quantistico ottupolare a flusso π (π-O-QSI). Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters, predice le firme spettroscopiche distintive di questo sistema, che potrebbero essere misurate in esperimenti futuri.
“È interessante notare che i liquidi con spin quantistico possono ospitare eccitazioni frazionate”, ha detto a Phys.org Félix Desrochers, coautore dell’articolo. “Vale a dire, gli elettroni in questi materiali sembrano dissociarsi in più componenti. Ad esempio, mentre gli elettroni trasportano sia spin che carica, la quasiparticella emergente può trasportare spin ma non carica.
“Queste eccitazioni non derivano dalla frammentazione degli elettroni in più pezzi, ma sono invece il risultato di una forma altamente non banale di movimento collettivo indotta dalle loro interazioni forti”.
Da decenni i fisici cercano chiari esempi dello stato liquido con spin quantistico. Tuttavia, i progressi in questo campo di ricerca sono stati finora lenti, a causa di due fattori principali.
In primo luogo, l'elaborazione di modelli teorici che descrivano realisticamente gli stati fondamentali dei liquidi con spin e che possano essere utilizzati per ricavare previsioni accurate si è rivelata impegnativa. In secondo luogo, anche il rilevamento e la caratterizzazione delle proprietà fisiche di questi sistemi nei materiali reali si è rivelato difficile.
"Il ghiaccio di spin quantistico (QSI) è un raro esempio di modello con uno stato fondamentale liquido con spin quantistico ben compreso e può anche essere trovato in un materiale reale (come la famiglia dei piroclori delle terre rare)", ha spiegato Desrochers.
“QSI è straordinario in quanto realizza l’equivalente reticolare dell’elettrodinamica quantistica: ospita modalità emergenti simili ai fotoni (cioè eccitazioni simili alle particelle di luce), particelle analoghe alle cariche elettrostatiche con mutua interazione di Coulomb note come spinoni e persino monopoli magnetici”.
Sulla base delle previsioni teoriche, l’elettrodinamica quantistica emergente nel QSI differisce in modo significativo dall’elettrodinamica convenzionale. Ad esempio, la velocità della cosiddetta “luce emergente” dovrebbe essere dell’ordine di 1 m/s, a differenza delle 3×108 m/s di luce che incontriamo nella vita di tutti i giorni.
“Recenti esperimenti su Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 e Ce2Hf2O7 sono stati estremamente emozionanti”, ha detto Desrochers. “I materiali non mostrano alcun segno di ordinamento fino alla temperatura più bassa accessibile.
“Ulteriori analisi hanno determinato i parametri microscopici che ne descrivono il comportamento. Hanno scoperto che il sistema si trova in una regione dello spazio dei parametri che teoricamente si suggerisce di ospitare un tipo specifico di QSI noto come ghiaccio di spin quantistico a flusso π (π-QSI).”
Sebbene studi recenti abbiano raccolto risultati incoraggianti, identificare in modo affidabile i liquidi con spin quantistico è un compito molto complesso, poiché anche un disturbo debole potrebbe potenzialmente disturbare questi stati. Per rilevare questi stati in modo inequivocabile, i ricercatori devono prima identificare le firme distintive specifiche di un liquido a spin quantistico, che rimangono stabili.
“Prima del nostro lavoro, non esisteva una proposta chiara per la firma schiacciante delle dinamiche di spin nel QSI del flusso π”, ha spiegato Desrochers. “Il nostro lavoro mirava quindi a evidenziare potenziali firme distinte che potrebbero aiutare a identificare se il QSI del flusso π è realizzato in Ce2Zr2O7 e altri composti simili. Ci siamo concentrati in particolare sulle firme che potrebbero essere misurate con gli apparati sperimentali attualmente disponibili”.
Come parte del loro studio, Desrochers e il suo dottorato di ricerca. il supervisore Yong Baek Kim ha deciso di prevedere le firme spettroscopiche distintive dello stato QSI del flusso π utilizzando un quadro teorico introdotto da Lucile Savary e Leon Balents nel 2012, noto come teoria del campo medio di calibro (GMFT). Questo quadro riscrive essenzialmente gli operatori di spin iniziali in base alle eccitazioni emergenti presenti nel ghiaccio di spin quantistico, vale a dire fotoni e spinoni.
"Questo quadro era già utilizzato per studiare il QSI del flusso π in alcuni dei primi lavori che utilizzavano GMFT", ha affermato Desrochers. “Abbiamo quindi ampliato questo lavoro con l’obiettivo di fare previsioni sperimentalmente significative. Per garantire che le nostre previsioni siano affidabili, abbiamo anche effettuato ampi confronti con i precedenti risultati numerici del nostro gruppo e della letteratura”.
Questo recente studio di Desrochers e Kim offre una previsione significativa delle firme spettroscopiche distintive del QSI del flusso π allo stato liquido di spin. Queste firme potrebbero guidare futuri studi sperimentali, aiutando i fisici a confermare la presenza di questo stato esotico.
“Abbiamo evidenziato che il QSI del flusso π dovrebbe produrre tre picchi di intensità decrescente nello scattering anelastico di neutroni”, ha detto Desrochers. “Si tratta di una firma unica e distintiva. Se misurati, questi tre picchi fornirebbero prove convincenti per la realizzazione sperimentale di questa QSL tridimensionale”.
Desrochers e Kim sperano che le loro previsioni aiutino i ricercatori a determinare cosa dovrebbero aspettarsi di misurare quando incontrano l'inafferrabile stato QSI del flusso π. In particolare, le firme spettroscopiche identificate dovrebbero essere rilevabili alle risoluzioni sperimentali attualmente ottenibili, quindi potrebbero essere potenzialmente osservate presto.
Nel frattempo, i ricercatori intendono basarsi sul loro recente studio per raccogliere previsioni sempre più dettagliate. Ad esempio, vorrebbero studiare come si evolverebbero i picchi da loro previsti a temperature diverse e stimare a quale temperatura scomparirebbero.
“Gli sviluppi futuri più entusiasmanti arriveranno sicuramente dal lato sperimentale”, ha aggiunto Desrochers. “La conferma della presenza di questi picchi offrirebbe una prova altamente convincente della realizzazione di questo nuovo stato della materia a lungo ricercato. Ci sono già alcuni segnali incoraggianti: il recente lavoro su Ce2Sn2O7 hanno riportato misurazioni che mostrano segni di tre picchi di intensità decrescente”.