Il supersolido con spin appare in un antiferromagnete quantistico – Physics World

Il supersolido con spin appare in un antiferromagnete quantistico – Physics World

Timestamp: 26 gennaio 2024 7:00
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Figura che illustra il processo di raffreddamento adiabatico di un supersolido con spin, rispetto al raffreddamento paramagnetico
La figura illustra il processo di raffreddamento adiabatico di un supersolido con spin, rispetto al raffreddamento paramagnetico, evidenziando le caratteristiche uniche del raffreddamento con supersolido con spin. Nei riquadri sono inclusi anche la struttura reticolare triangolare e i dispositivi sperimentali (con composti NBCP) per misurazioni magnetocaloriche adiabatiche. (Per gentile concessione: W Li)

Ricercatori in Cina, Francia e Australia hanno trovato nuove prove dell’esistenza di uno stato quantistico esotico della materia chiamato supersolido con spin. La scoperta, realizzata in un materiale antiferromagnetico con una struttura a reticolo atomico triangolare, rappresenta una svolta nella fisica fondamentale e potrebbe anche aiutare lo sviluppo di nuove tecniche di raffreddamento che non richiedono elio liquido, poiché il materiale mostra anche un gigantesco effetto magnetocalorico.

Come suggerisce il nome, i supersolidi sono materiali che scorrono senza attrito (come un superfluido) anche se le particelle che li compongono sono disposte in un reticolo cristallino (come un solido). In quanto tali, questi materiali rompono due simmetrie continue: invarianza traslazionale, dovuta all'ordine cristallino; e simmetria di calibro, dovuta al flusso senza attrito del materiale.

I teorici avevano previsto negli anni ’1960 che i supersolidi dovessero esistere nei solidi quantistici con le cosiddette vacanze bosoniche mobili, cioè spazi lasciati indietro quando gli atomi con valori di spin interi si muovono attraverso il reticolo cristallino. A partire dagli anni ’1980, la ricerca sperimentale si è concentrata sugli indizi che la supersolidità potrebbe verificarsi nell’elio-4 superfluido. Nel 2004, i fisici della Pennsylvania State University negli Stati Uniti hanno riportato prove di supersolidità in questo materiale. Tuttavia, ulteriori indagini da parte degli stessi ricercatori hanno rivelato che si sbagliavano, e le loro osservazioni potrebbero essere spiegato in altri modi.

Esperimenti più recenti hanno dimostrato che i gas quantistici dipolari allungati in una direzione possono subire una transizione di fase da un normale condensato di Bose-Einstein (BEC) a uno stato con proprietà supersolide. Gli atomi nei gas dipolari hanno grandi momenti magnetici e sono le interazioni tra loro che danno origine alla supersolidità in questi sistemi.

Strati di prova

I ricercatori guidati da Gang Su alla Università dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) a Pechino ora affermano di aver trovato l’analogo magnetico quantistico di un supersolido in un antiferromagnete recentemente sintetizzato con la formula chimica Na2BaCo(PO4)2. Questo composto, noto come NBCP, mostra anche un enorme effetto magnetocalorico, il che significa che si riscalda e si raffredda notevolmente quando viene applicato e rimosso un campo magnetico esterno.

Su e colleghi Wei Li della Istituto di Fisica Teorica, CAS; Junsen Xiang ed Peijie Sun dal Istituto di Fisica, CAS, E Wentao Jin at Università Beihang hanno effettuato le loro misurazioni magnetocaloriche a temperature inferiori a 1 K. L'eccellente accordo tra i loro dati sperimentali e i calcoli teorici delle transizioni di fase quantistica dei supersolidi li ha aiutati a convincerli che stavano osservando un nuovo supersolido con spin.

Ulteriore conferma è arrivata dalle prove microscopiche ottenute conducendo esperimenti di diffrazione di neutroni su campioni di alta qualità di NBCP presso il Institut Laue-Langevin in Francia e il Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare. "I picchi di diffrazione hanno rivelato un ordine a tre sottoreticoli nel piano, un ordine solido e un'incommensurabilità nella direzione fuori dal piano", afferma Su. “Quest’ultimo può essere correlato all’esistenza di modalità Goldstone gapless (una forma di rottura della simmetria nei bosoni) e quindi supporta l’esistenza di superfluidità di spin nel composto”.

Un nuovo stato quantistico della materia e un nuovo meccanismo di raffreddamento

Il team CAS ha scelto di studiare l’NBCP perché mostra forti fluttuazioni di spin a bassa energia, indicando un possibile stato liquido con spin quantistico. È anche un antiferromagnete, il che significa che a differenza dei ferromagneti convenzionali, che hanno spin elettronici paralleli, i suoi spin elettronici tendono ad allinearsi in modo antiparallelo tra loro. Questo antiallineamento porta a forti interazioni tra gli spin.

Dopo che uno dei membri del team ha suggerito che potrebbe esistere un supersolido con spin nell'NBCP, Li e Gang hanno chiesto ai loro colleghi sperimentali Xiang, Jin e Sun se fosse possibile cercare nuovi stati di spin quantistico nel composto. “Lo hanno fatto e hanno osservato il nuovo stato quantistico della materia, il supersolido con spin”, ricorda Li.

Oltre a rivelare un nuovo stato quantistico della materia, la scoperta potrebbe anche portare a nuovi metodi di raffreddamento sub-Kelvin senza elio. Questi sono molto ricercati, tra gli altri, per la scienza dei materiali, la tecnologia quantistica e le applicazioni spaziali, spiega Li Mondo della fisica.

Li spiega che attualmente esistono due modi principali per raffreddare i materiali a temperature di pochi Kelvin. Il primo consiste nell'utilizzare l'elio, che diventa liquido a temperature inferiori a 4.15 K. Il secondo consiste nello sfruttare l'effetto magnetocalorico, in cui alcuni materiali cambiano temperatura sotto l'influenza di un campo magnetico applicato. Entrambe queste tecniche hanno i loro svantaggi: l’elio è scarso e quindi costoso, mentre la speciale classe di composti utilizzati per il raffreddamento magnetocalorico (noti come sali paramagnetici idrati) hanno una bassa densità entropica magnetica, scarsa stabilità chimica e bassa conduttività termica. Tuttavia, Li sostiene che il gigantesco effetto magnetocalorico nel supersolido di spin appena scoperto potrebbe “superare efficacemente questi inconvenienti” sfruttando le eccitazioni di spin collettive a basse energie.

Alla ricerca di altri supersolidi di spin

I ricercatori stanno ora cercando di ottenere ulteriori prove dinamiche della supersolidità dello spin nell’NBCP. A tal fine, Jin afferma che stanno eseguendo misurazioni di diffusione anelastica dei neutroni per studiare i modi Goldstone associati all’ordine del superfluido di spin. Hanno inoltre in programma di condurre esperimenti di diffrazione di neutroni polarizzati per rafforzare ulteriormente le loro scoperte.

Infine, il team sta studiando altri composti reticolari triangolari nel tentativo di identificare ulteriori stati supersolidi di spin o altri stati di spin esotici. “In questo modo, speriamo di comprendere meglio i fenomeni fisici sottostanti che danno origine a queste intriganti fasi quantistiche della materia”, afferma Su.

Il loro presente studio è dettagliato in Natura.

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