Per decenni, i quantum spin liquid sono stati una sorta di oggetto fantasma della fisica. Quest’ultimi risultano previsti con grande eleganza teorica, ma difficili da afferrare sperimentalmente. Si tratta di stati della materia magnetica in cui gli spin degli elettroni non si ordinano nemmeno alle temperature più basse accessibili. Restando invece in una condizione dinamica dominata dall’entanglement quantistico. Oggi, una nuova ricerca pubblicata su Nature Physics contribuisce a rendere tale scenario meno enigmatico e più solido dal punto di vista sperimentale. Lo studio nasce da una domanda precisa che ha accompagnato a lungo il settore. Le evidenze osservate finora indicano davvero l’esistenza di una nuova fase della materia, oppure sono il risultato di peculiarità chimiche e strutturali di singoli materiali? Per rispondere, un gruppo di ricercatori guidato da Young Lee, professore alla Stanford University, ha deciso di mettere alla prova uno dei presupposti chiave della teoria: l’universalità del comportamento quantistico.
Quantum spin liquid: ecco le novità emerse
Il team ha concentrato l’attenzione su materiali caratterizzati dal cosiddetto reticolo kagome. Una geometria atomica formata da triangoli intrecciati. Tale configurazione genera una forte frustrazione magnetica, ovvero una competizione tra interazioni che impedisce agli spin di allinearsi in modo convenzionale. Proprio tale instabilità strutturale rende il kagome un candidato ideale per ospitare stati quantistici non ordinari come i quantum spin liquid.
In passato, lo stesso gruppo aveva studiato in dettaglio la herbertsmithite. Un minerale considerato uno dei migliori candidati per tale tipo di stato. Eppure, restava un dubbio cruciale: i segnali osservati erano davvero rappresentativi di una fase quantistica generale o riflettevano solo le specificità di quel composto? Per chiarire il punto, i ricercatori hanno sintetizzato cristalli di altissima qualità di un materiale affine, la Zn-barlowite. Ottenendo campioni sufficientemente puri da permettere misure estremamente precise.
Portati a temperature prossime allo zero assoluto e analizzati tramite scattering di neutroni ad alta risoluzione, tali cristalli hanno mostrato un comportamento inatteso. Al posto delle classiche onde magnetiche tipiche dei magneti ordinati, sono emerse eccitazioni frazionate chiamate spinoni. Le quali sono considerate una firma distintiva di sistemi dominati dall’entanglement quantistico. Ancora più rilevante è che le proprietà di tali spinoni risultano quasi identiche a quelle già osservate nella herbertsmithite.
La coincidenza non è un dettaglio secondario. Indica che entrambi i materiali condividono lo stesso stato quantistico di base, suggerendo che il quantum spin liquid non sia un’eccezione rara, ma una fase della materia robusta e riproducibile all’interno di un’intera famiglia di cristalli con la stessa architettura atomica. Tale risultato riduce l’incertezza che per anni ha circondato tali sistemi “invisibili” e rafforza il legame tra teoria e osservazione.
