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Jun 13, 2023

L'osservazione di uno stato fondamentale disordinato quantistico in un magnete a reticolo triangolare

May 25, 2023 feature This

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I materiali magnetici con un reticolo triangolare sono stati al centro di numerosi studi di ricerca, poiché le previsioni teoriche suggeriscono che potrebbero mostrare stati liquidi con spin. Si tratta di fasi quantistiche della materia che presentano caratteristiche interessanti, come l’entanglement quantistico e le eccitazioni frazionate.

Sebbene siano stati compiuti numerosi sforzi sperimentali volti a osservare queste affascinanti fasi nei materiali con un reticolo triangolare, finora ciò si è rivelato molto impegnativo. Una delle ragioni principali di ciò è che il debole accoppiamento spin-orbita e altre perturbazioni in questi materiali tipicamente provocano il congelamento dello spin convenzionale o stati magnetici.

I ricercatori dell’Università della California, del Boston College, dell’Oak Ridge National Laboratory e del National Institute of Standards and Technology sono stati recentemente in grado di produrre uno stato fondamentale disordinato quantistico nel magnete reticolare triangolare NaRuO2. I loro risultati, pubblicati su Nature Physics, suggeriscono che questo stato è stato reso possibile dall’interazione cooperativa tra l’accoppiamento spin-orbita e gli effetti di correlazione nel materiale magnetico.

"Abbiamo studiato a lungo i reticoli triangolari, alla ricerca di materiali che ospitano quelli che chiamiamo stati fondamentali disordinati quantistici", ha detto a Phys.org Stephen D. Wilson, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Questi sono stati in cui i momenti magnetici su ciascun atomo, ciascuno situato all'interno di una rete di triangoli che condividono i bordi, non riescono a ordinarsi o si bloccano in posizione anche allo zero assoluto. Questo fallimento nell'ordine è nominalmente dovuto a fluttuazioni quantistiche che confondono continuamente i momenti e servono a definire un nuovo stato fondamentale magnetico, intrinsecamente disordinato e dinamico."

Un approccio per realizzare stati fondamentali quantistici nei materiali prevede l’identificazione di strategie efficaci per intrecciare il grado di libertà orbitale dei singoli elettroni con il loro grado di libertà di spin. Alla fine, ciò può essere ottenuto combinando attentamente diversi elementi insieme, ad esempio includendo il rutenio (Ru) nei composti, incluso anche nel campione NaRuO2 del team.

"Una sfida importante è stata quella di produrre il materiale a cui eravamo interessati, NaRuO2, in modo pulito", ha spiegato Wilson. "Per testare davvero cosa sta succedendo nel regno del magnetismo quantistico, è necessario rimuovere il più possibile i fattori estrinseci come le impurità chimiche. Una volta prodotto NaruO2 con una qualità sufficiente, c'erano diversi esperimenti che potevamo eseguire, tutti scoprire qualcosa in più sulla fisica di ciò che sta accadendo. In altre parole, sono necessarie diverse finestre per formare il quadro completo di un materiale complicato."

Dopo aver realizzato il campione pulito di NaRuO2, Wilson e i suoi colleghi hanno quindi proceduto a condurre una serie di test ed esperimenti per comprenderne meglio la fisica sottostante. Per prima cosa lo hanno esaminato utilizzando metodi di caratterizzazione di massa, ad esempio misurandone la suscettibilità magnetica e la capacità termica fino a temperature molto basse.

"Abbiamo anche condotto esperimenti più avanzati come la diffusione anelastica dei neutroni e le misurazioni del rilassamento dello spin dei muoni", ha detto Wilson. "Tutte queste sonde ci dicono qualcosa su cosa fanno i momenti magnetici in NaRuO2 mentre si raffredda verso il suo stato fondamentale, ciascuno a diverse lunghezze e scale temporali. Quando l'immagine aggregata mostra che i momenti magnetici non riescono a ordinarsi e invece fluttuano come se raffreddi a temperature molto inferiori a quelle che dovrebbero, allora puoi iniziare a dipingere un'immagine di uno stato fondamentale disordinato quantistico."