Osservato per la prima volta il liquido di spin quantistico

In fisica per liquido di spin quantistico si intende uno stato che viene a formarsi in un sistema di spin quantistici che interagiscono fra loro. Attenzione al significato di “liquido” con il quale si intende che lo stato appena formatosi si trova in una condizione di  disordine rispetto allo stato di spin ferromagnetico: per fare un esempio consideriamo l’acqua liquida (a cui attribuiamo il valore di liquido di spin quantistico) e lo stato cristallino dell’acqua (con cui indichiamo lo stato di spin ferromagnetico). Cos’ha di diverso rispetto ad altri stati disordinati della materia? Il liquido di spin quantistico preserva il suo disordine a temperatura vicine allo zero assoluto. Si tratta del concetto di frazionalizzazione degli elettroni e all’emergere di particelle con caratteristiche di fermioni di Majorana.

Fu proprio quest’ultimo a predirne per primo l’esistenza, il liquido di spin quantistico fu teorizzato poi dal fisico Phil Anderson nel 1973 ma mai osservato e qualche anno più tardi, nel 1987, fu usato per interpretare la superconduttività ad alte temperature. Anche Carl David Anderson ipotizzò che alcuni materiali magnetici possano trovarsi in uno stato chiamato “spin quantico liquido”, uno stato in cui le particelle sono in caos, proprio come le molecole d’acqua ma, mentre queste ultime si “riordinano” diventando ghiaccio, nello stato di spin quantico liquido le particelle continuano a rimescolarsi anche alle temperature più basse. Un nuovo esperimento eseguito presso l’Oak Ridge National Laboratory (Tennessee, Usa) ne conferma definitivamente l’esistenza.

A questo punto, soprattutto per i non addetti ai lavori, ci potrebbero essere difficoltà di comprensione: diciamo subito che i tre stati della materia (solido, liquido e aeriforme) che tutti abbiamo imparato a scuola, sono solo quelli basilari, fondamentali, di cui ci serviamo per conoscere il mondo che ci circonda. Se ci addentriamo nel mondo della meccanica quantistica troveremo altri stati della materia come plasma e condensato di Bose-Einstein. Quindi quello osservato all’Oak Ridge National Laboratory è un nuovo stato della materia. Vi spieghiamo il tutto con una serie di domande e risposte mirate.

Come ci sono riusciti?

I ricercatori hanno irradiato, con un fascio di neutroni, un materiale bidimensionale simile al grafene ma con cristalli di tricloruro di rutenio (RuCl3), per poi osservare le onde create dalla diffusione dell’urto anelastico dei neutroni con le particelle dei cristalli. Generalmente un materiale magnetico proietta delle linee ben distinte ma in questa occasione si sono osservate delle ondulazioni perfettamente come era stato previsto nel 2014 da Johannes Knolle del Cavendish Laboratory di Cambridge.

Che differenza c’è fra il liquido di spin quantistico e i normali materiali magnetici?

Il comportamento dei singoli elettroni cambia notevolmente: mentre nei normali materiali magnetici si comportano come minuscole calamite, vale a dire che con l’abbassarsi della temperatura si allineano con i poli magnetici puntando nella stessa direzione, nello stato di spin quantico liquido anche quando viene raggiunto lo zero assoluto gli elettroni restano disallineati.

Quali proprietà fisiche possiede il liquido di spin quantistico?

Gli elettroni, indivisibili per definizione, si “frazionano” generando fermioni di Majorana.

Quali innovazioni porterà questa scoperta?

Questo tipo di particelle potrà essere utilizzato come unità elementare per i super-computer quantistici della nuova generazione, in grado così di funzionare a velocità irraggiungibili rispetto ai computer odierni e di eseguire calcoli che nessun altro dispositivo sarebbe in grado di fare.