Nanotechnology Now - Comunicato stampa: un approccio su tre fronti discerne le qualità dei liquidi a rotazione quantistica

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Un'illustrazione del reticolo esaminato da Phil Anderson all'inizio degli anni '70. Mostrate come ellissi verdi, coppie di particelle quantistiche fluttuavano tra molteplici combinazioni per produrre uno stato liquido con spin. CREDITO Allen Scheie/Los Alamos National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

An illustration of the lattice examined by Phil Anderson in the early ‘70s. Shown as green ellipses, pairs of quantum particles fluctuated among multiple combinations to produce a spin liquid state.

CREDITO
Allen Scheie/Los Alamos National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

Abstract:
Nel 1973, il fisico Phil Anderson ipotizzò che lo stato di spin liquido quantistico, o QSL, esistesse su alcuni reticoli triangolari, ma non aveva gli strumenti per approfondire. Cinquant'anni dopo, un team guidato da ricercatori associati al Quantum Science Center con sede presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia ha confermato la presenza del comportamento QSL in un nuovo materiale con questa struttura, KYbSe2.

Un approccio su tre fronti discerne le qualità dei liquidi a spin quantistico

Oak Ridge, Tennessee | Pubblicato il 17 novembre 2023

Le QSL – uno stato insolito della materia controllato dalle interazioni tra atomi magnetici aggrovigliati o intrinsecamente collegati chiamati spin – eccellono nello stabilizzare l’attività meccanica quantistica nel KYbSe2 e in altri delafossiti. Questi materiali sono apprezzati per i loro reticoli triangolari stratificati e per le proprietà promettenti che potrebbero contribuire alla costruzione di superconduttori di alta qualità e componenti per il calcolo quantistico.

L'articolo, pubblicato su Nature Physics, presenta ricercatori dell'ORNL; Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley; Laboratorio Nazionale di Los Alamos; Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC; l'Università del Tennessee, Knoxville; l'Università del Missouri; l'Università del Minnesota; Università di Stanford; e l'Istituto di Fisica Rosario.

"I ricercatori hanno studiato il reticolo triangolare di vari materiali alla ricerca del comportamento delle QSL", ha affermato Allen Scheie, membro del QSC e autore principale, scienziato dello staff di Los Alamos. "Un vantaggio di questo è che possiamo scambiare facilmente gli atomi per modificare le proprietà del materiale senza alterarne la struttura, e questo lo rende piuttosto ideale da un punto di vista scientifico."

Utilizzando una combinazione di tecniche teoriche, sperimentali e computazionali, il team ha osservato molteplici caratteristiche delle QSL: entanglement quantistico, quasiparticelle esotiche e il giusto equilibrio delle interazioni di scambio, che controllano il modo in cui uno spin influenza i suoi vicini. Sebbene gli sforzi per identificare queste caratteristiche siano stati storicamente ostacolati dai limiti degli esperimenti fisici, i moderni strumenti di diffusione dei neutroni possono produrre misurazioni accurate di materiali complessi a livello atomico.

Esaminando la dinamica dello spin di KYbSe2 con il Cold Neutron Chopper Spectrometer presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL - una struttura utilizzata dal DOE Office of Science - e confrontando i risultati con modelli teorici affidabili, i ricercatori hanno trovato prove che il materiale era vicino al punto critico quantistico in cui Le caratteristiche QSL prosperano. Hanno poi analizzato il suo stato magnetico a ione singolo con lo spettrometro chopper ad ampio raggio angolare di SNS.

I testimoni in questione sono le informazioni di Fisher a un groviglio, a due grovigli e quantistiche, che hanno svolto un ruolo chiave nella precedente ricerca QSC focalizzata sull’esame di una catena di spin 1D, o una singola linea di spin all’interno di un materiale. KYbSe2 è un sistema 2D, una qualità che ha reso questi sforzi più complessi.

“Stiamo adottando un approccio di co-progettazione, che è cablato nel QSC”, ha affermato Alan Tennant, professore di fisica e scienza e ingegneria dei materiali presso UTK che guida un progetto di magneti quantistici per il QSC. "I teorici all'interno del centro stanno calcolando cose che non erano mai stati in grado di calcolare prima, e questa sovrapposizione tra teoria ed esperimento ha consentito questa svolta nella ricerca QSL."

Questo studio è in linea con le priorità del QSC, che includono il collegamento della ricerca fondamentale all’elettronica quantistica, ai magneti quantistici e ad altri dispositivi quantistici attuali e futuri.

"Ottenere una migliore comprensione delle QSL è davvero significativo per lo sviluppo delle tecnologie di prossima generazione", ha affermato Tennant. “Questo campo è ancora allo stato di ricerca fondamentale, ma ora possiamo identificare quali materiali possiamo modificare per realizzare potenzialmente dispositivi su piccola scala da zero”.

Sebbene KYbSe2 non sia una vera QSL, il fatto che circa l'85% del magnetismo fluttui a bassa temperatura significa che ha il potenziale per diventarlo. I ricercatori prevedono che lievi alterazioni della sua struttura o l'esposizione alla pressione esterna potrebbero potenzialmente aiutarlo a raggiungere il 100%.

Gli sperimentatori del QSC e gli scienziati computazionali stanno pianificando studi e simulazioni paralleli incentrati sui materiali delafossiti, ma i risultati dei ricercatori hanno stabilito un protocollo senza precedenti che può essere applicato anche per studiare altri sistemi. Razionalizzando le valutazioni basate sull'evidenza dei candidati QSL, mirano ad accelerare la ricerca di QSL autentiche.

"La cosa importante di questo materiale è che abbiamo trovato un modo per orientarci sulla mappa, per così dire, e mostrare ciò che abbiamo fatto bene", ha detto Scheie. "Siamo abbastanza sicuri che ci sia una QSL completa da qualche parte all'interno di questo spazio chimico, e ora sappiamo come trovarla."

Questo lavoro ha ricevuto il sostegno del DOE, del QSC, del Consiglio nazionale per la ricerca scientifica e tecnica e della Fondazione Simons.

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Informazioni sul laboratorio nazionale DOE/Oak Ridge
Il QSC, un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell’informazione quantistica del DOE guidato da ORNL, svolge ricerche all’avanguardia presso laboratori nazionali, università e partner industriali per superare gli ostacoli chiave nella resilienza dello stato quantistico, nella controllabilità e, in definitiva, nella scalabilità delle tecnologie quantistiche. I ricercatori del QSC stanno progettando materiali che consentano il calcolo quantistico topologico; implementare nuovi sensori quantistici per caratterizzare gli stati topologici e rilevare la materia oscura; e la progettazione di algoritmi e simulazioni quantistiche per fornire una maggiore comprensione dei materiali quantistici, della chimica e delle teorie quantistiche dei campi. Queste innovazioni consentono al QSC di accelerare l’elaborazione delle informazioni, esplorare ciò che prima non era misurabile e prevedere meglio le prestazioni quantistiche attraverso le tecnologie. Per maggiori informazioni visita https://qscience.org .

UT-Battelle gestisce l'ORNL per l'Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Ufficio scientifico del DOE sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni visita https://energy.gov/science . —Elizabeth Rosenthal

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Contatti:
Elisabetta Rosenthal
Laboratorio nazionale DOE/Oak Ridge
Ufficio: 865-241-6579

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