Scoperta una nuova fase “Mezzo-Ghiaccio, Mezzo-Fuoco” della Materia in un Magnete
Un’inaspettata e straordinaria fase della materia è stata recentemente scoperta all’interno di un altro stato esotico che era già stato identificato in un composto magnetico qualche anno fa. Si tratta di una fase che sfida la comprensione tradizionale delle interazioni tra particelle subatomiche, aprendo nuove prospettive nella fisica della materia condensata e nelle applicazioni tecnologiche avanzate.
La Scoperta della Fase “Mezzo-Fuoco, Mezzo-Ghiaccio”
Nel 2016, i fisici Weiguo Yin, Christopher Roth e Alexei Tsvelik del Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti hanno identificato quella che hanno definito una fase di spin “mezzo-fuoco, mezzo-ghiaccio” nel composto Sr3CuIrO6, una combinazione di stronzio, rame, iridio e ossigeno. In questa fase, gli elettroni di due strutture diverse si comportano in modo distintivo: una struttura simula il movimento caotico delle fiamme, mentre l’altra è bloccata, congelata in una posizione ben definita.
Nel nuovo studio, il team ha scoperto una fase opposta, che chiamano “mezzo-ghiaccio, mezzo-fuoco”. In questo stato, gli elettroni si comportano in modo diverso rispetto alla fase precedente, con gli spin degli atomi di rame che si ordinano in modo disordinato, mentre quelli dell’iridio subiscono un cambiamento radicale nel loro comportamento.
La chiave di questa scoperta risiede nel concetto di frustrazione magnetica, che descrive come le particelle vicine interagiscono tra loro in modo tale che il cambiamento in una di esse influenzi l’intero sistema. Questo fenomeno può portare a spostamenti di fase, che modificano le proprietà fisiche del materiale.
La Nuova Possibilità per la Fisica Quantistica e l’Elettronica
Il cambiamento di fase riscontrato è stato un punto cruciale nella ricerca. Per molto tempo, si pensava che il sistema non potesse muoversi, in quanto i modelli matematici tradizionali di transizione di fase non supportavano tale trasformazione. Tuttavia, una scoperta fondamentale ha permesso al team di identificare una temperatura specifica che provoca un’inversione completa di questo stato.
Questa reversibilità della fase è stata la chiave per Yin e Tsvelik, che l’hanno definita un’apertura fondamentale nel campo della scienza dell’informazione quantistica e dell’elettronica microelettrica. Secondo Yin: “La scoperta di nuovi stati con proprietà fisiche esotiche – e la capacità di comprendere e controllare le transizioni tra questi stati – sono questioni centrali nei campi della fisica della materia condensata e della scienza dei materiali.”
Questa scoperta potrebbe avere applicazioni cruciali in quantum computing e spintronica, discipline che si basano sulla manipolazione degli spin degli elettroni per il trattamento delle informazioni. I qubit, le unità fondamentali dei computer quantistici, si basano proprio sugli spin elettronici, ma per essere utilizzabili, devono poter assumere valori binari distinti, manipolabili con precisione.
La Fase “Mezzo-Ghiaccio, Mezzo-Fuoco” e le Sue Implicazioni per la Ricerca Futuro
I materiali magnetici possono presentarsi in diverse forme. Un materiale ferromagnetico convenzionale, come il ferro, ha gli spin delle particelle allineati nella stessa direzione, mentre un ferrimagnetico come Sr3CuIrO6 presenta due stati di spin differenti. Nella fase “mezzo-fuoco, mezzo-ghiaccio”, gli spin degli atomi di rame si comportano in modo disordinato, simili a una fiamma tremolante, mentre quelli di iridio si allineano rigidamente come soldati in assetto.
Questa fase, sebbene affascinante, non ha applicazioni immediate. Tuttavia, un altro passo significativo nella ricerca ha rivelato un comportamento nascosto in una temperatura ben definita: una fase “mezzo-ghiaccio, mezzo-fuoco”, in cui gli spin del rame si ordinano e quelli dell’iridio si disgregano. Questo comportamento invertito apre nuove strade per future indagini e applicazioni in fisica quantistica e tecnologie emergenti.
Secondo Tsvelik, “Nonostante la nostra ricerca estesa, non sapevamo come utilizzare questa fase, soprattutto perché era ben noto da un secolo che il modello di Ising in una dimensione, un modello matematico consolidato della ferromagnetismo, non poteva ospitare una transizione di fase a temperatura finita. Ci mancavano dei pezzi del puzzle.”
Ora che questi pezzi sono stati trovati, le implicazioni per la ricerca futura sono enormi. Il team ha dimostrato che è possibile controllare con precisione questo cambiamento di fase, aprendo nuovi orizzonti per applicazioni in tecnologie quantistiche avanzate.
Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, segnando un importante passo avanti nella comprensione della materia in condizioni estreme e delle sue potenziali applicazioni.
