Ricercatori del MIT scoprono il 3° tipo di magnetismo

Facendo seguito a precedenti previsioni teoriche, i ricercatori del MIT hanno ora dimostrato sperimentalmente l’esistenza di un tipo totalmente nuovo di comportamento magnetico, aggiungendosi ai due stati precedentemente noti del magnetismo.

I fisici del MIT hanno ottenuto questo puro cristallo di herbertsmithite nel loro laboratorio. In questo esempio, ci sono voluti 10 mesi per crescere, è di 7 mm di lunghezza (poco più di un quarto di pollice) e pesa 0,2 grammi. Immagine: Tianheng Han
Il magnetismo semplice di un magnete a barra o bussola ad ago(ferromagnetismo) è noto da secoli. In un secondo tipo di magnetismo, l’antiferromagnetismo, i campi magnetici degli ioni all’interno di un metallo o lega si annullano a vicenda. In entrambi i casi, il materiale diventa magnetico solo quando si è raffreddato al di sotto di una certa temperatura critica. La previsione e la scoperta dell’antiferromagnetismo è la base per la lettura delle testine di oggi del disco rigido del computer.Questa scoperta ha fatto vincere il premio Nobel per la fisica a Louis Neel nel 1970 e al professore emerito del MIT Clifford Shull nel 1994.

“Stiamo dimostrando che c’è un terzo stato fondamentale per il magnetismo”, dice professore del MIT di fisica Young Lee. I lavori sperimentali intesi a dimostrare l’esistenza di questo nuovo stato, chiamato liquido quantico di spin (QSL), è riportata questa settimana sulla rivista Nature , con Lee come autore senior e Tianheng Han, che ha guadagnato il suo dottorato di ricerca in fisica al MIT all’inizio di quest’anno , come autore principale.

La QSL è un cristallo solido, ma il suo stato magnetico è descritto come liquido: A differenza degli altri due tipi di magnetismo, le orientazioni magnetiche delle particelle individuali all’interno di esso fluttuano costantemente, simile al movimento costante di molecole in un liquido vero.

Trovare gli elementi di prova

Non c’è un ordine statico agli orientamenti magnetici delle particelle, noti come momenti magnetici, all’interno del materiale. “Ma c’è una forte interazione tra loro, e a causa di effetti quantistici, le particelle non si bloccano in posizione.

Sebbene sia estremamente difficile da misurare, o dimostrare l’esistenza, di questo stato esotico, Lee dice: “questo è uno dei più forti dati sperimentali stabilisce là fuori che quello che prima era solo nei modelli teorici” è un vero e proprio sistema fisico.

“Philip Anderson, un teorico di primo piano, in primo luogo ha proposto il concetto nel 1987, dicendo che questo stato potrebbe essere importante per i superconduttori ad alta temperatura, dice Lee. ”E ‘solo negli ultimi anni che abbiamo fatto progressi.”Il materiale stesso è un cristallo di un minerale chiamato herbertsmithite. Lee e i suoi colleghi sono riusciti a fare un grande, puro cristallo di questo materiale l’anno scorso, un processo durato 10 mesi, e da allora stanno studiato le sue proprietà in dettaglio.

“E ‘stata una collaborazione multidisciplinare, con fisici e chimici”, spiega Lee. “Hai bisogno di entrambi … per sintetizzare il materiale e studiarlo con tecniche di fisica avanzata. I teorici sono cruciali anche per questo.”

Attraverso i suoi esperimenti, il team ha fatto una scoperta significativa, Lee dice: hanno trovato uno stato con eccitazioni frazionate, che era stato predetto da alcuni teorici, ma era un’idea molto controversa. Mentre la maggior parte della materia ha discreti stati quantistici le cui variazioni sono espresse in numeri interi, questo materiale presenta stati quantistici frazionari. In effetti, i ricercatori hanno scoperto che questi stati eccitati, chiamati spinoni, formano un continuum. Questa osservazione, dicono nel loro articolo di natura, è “un primo notevole.”

Scattering di neutroni

Per misurare questo stato, il team ha utilizzato una tecnica chiamata scattering di neutroni, che è la specialità di Lee. Per effettuare le misurazioni in realtà, hanno usato uno spettrometro di neutroni presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) a Gaithersburg, nel Maryland.

I risultati, spiega Lee , sono “prove molto forti di questo frazionamento” degli stati di spin. “E ‘una previsione teorico fondamentale per i liquidi di spin che stiamo vedendo in modo chiaro e dettagliato per la prima volta.”

Si può richiedere molto tempo per tradurre questa “ricerca molto fondamentale” in applicazioni pratiche, dice Lee. Il lavoro potrebbe portare a progressi nella memorizzazione dei dati o di comunicazione, forse con un fenomeno esotico quantistico chiamato entanglement a lungo raggio, in cui due particelle molto distanti si possono influenzare istantaneamente a vicenda. I risultati potrebbero anche portare alla ricerca in superconduttori ad alta temperatura, e potrebbe infine portare a nuovi sviluppi in questcampo.

“Dobbiamo ottenere una comprensione più completa del quadro”, dice Lee. “Non esiste una teoria che descrive tutto ciò che stiamo vedendo.”

Di David Chandler

Fonte:http://phys.org/news/2012-12-kind-magnetism-quantum-liquid.html