Gli scienziati scoprono un nuovo stato della materia: Quantum Spin Liquid

I fisici dell'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee e l'Università di Cambridge hanno scoperto insieme un nuovo stato della materia. I risultati rivoluzionari, riportati nel diario Natura, dettaglia le osservazioni dello stato teorizzato da lungo tempo ma inafferrabile conosciuto come "liquido di rotazione quantico" - in cui gli elettroni sembrano rompere in pezzi più piccoli.

"Questo è un nuovo stato quantico della materia, che è stato previsto ma non è stato visto prima", ha detto Johannes Knolle, uno scienziato del Cavendish Laboratory di Cambridge e uno dei coautori del giornale, in un comunicato stampa.

Chiunque abbia una conoscenza di base della fisica sa che ci sono tre principali stati della materia: solidi, liquidi e gas. Le persone con un po 'di conoscenza in più potrebbero conoscere gli altri due stati classici: i plasmi (particelle cariche libere che costituiscono eventi ad alta energia) e i colloidi (i "in betweens" formano due stati contemporaneamente, come il burro).

Eppure esistono più di una dozzina di altri stati che esistono, solo osservabili a scale molto piccole o in eventi molto fenomenici. Uno di questi è il liquido di spin quantico: uno stato caotico che richiede un po 'più di spiegazione prima che tu possa davvero capire cosa sta succedendo.

Secondo la meccanica quantistica, ogni particella può esibire due tipi di momento angolare. Il primo è il momento angolare orbitale e il secondo è lo spin. Una rozza analogia per queste due rispettive azioni è un pianeta che ruota intorno al sole, esibendo sia un'orbita che uno spin assiale.

Quando un sistema ha raggiunto una serie di spin quantici interagenti, si pensa che sia in uno stato disordinato allo stesso modo in cui l'acqua liquida è disordinata rispetto al ghiaccio solido. Il liquido di spin quantico ha un comportamento simile, ma a basse temperature. Invece di riunirsi in un modello uniforme, tale da riunire le sostanze in uno stato solido, un pezzo di materia che gira in un liquido quantico continuerà ad agire in modo irregolare come un caldo pasticcio di zuppa. In effetti, l'attività è così estrema che le particelle si disgregano. È una scena che contraddice esattamente quello che ti aspetteresti in ambienti freddi.

In questo caso, il team di ricerca ha osservato particelle frazionarie note come fermioni di Majorana in un materiale bidimensionale che è simile al grafene. Ciò che hanno osservato era simile a un ipotetico modello liquido di spin quantico noto come modello Kitaev. I risultati alla fine segnano la fine di una ricerca durata 40 anni per questo stato della materia.

Più in particolare, le nuove osservazioni sui liquidi di spin quantici fanno luce su una proprietà nota come scissione di elettroni, che un giorno potrebbe aiutare a costruire nuovi tipi di computer quantistici che operano più velocemente delle macchine odierne aggirando i limiti dei materiali convenzionali.

Quel tipo di svolta è decenni nel futuro. Tuttavia, il semplice fatto che siamo stati in grado di osservare un nuovo stato della materia nella carne è solo un altro segno che gli umani devono ancora scalfire la superficie per capire esattamente come funziona il mondo naturale.