Quantum spin liquid: con il nuovo stato della materia verso i pc quantistici
Una “zuppa d'entanglement” formata da elettroni frazionalizzati in fermioni di Majorana: il nuovo stato della materia è un liquido caotico, che non si comporta come un normale materiale magnetico
SCOPERTA – Solido, liquido e gassoso. Questi i tre stati della materia più noti, se non si considerano il plasma o gli altri stati quantistici scoperti negli ultimi anni dagli scienziati. Una lista ancora corta, a cui però si può aggiungere una nuova voce: il “quantum spin liquid” o liquido di spin quantistico, che può essere immaginato come una “zuppa” di elettroni che si frammentano in particelle ancora più piccole, i fermioni di Majorana, mostrando una struttura magnetica mai vista in natura.
Facciamo un passo indietro. Il quantum spin liquid è stato previsto per la prima volta nel 1973 dal fisico e premio Nobel Philip Warren Anderson, ma fino a oggi non era mai stato osservato. I fermioni di Majorana, invece, sono stati ipotizzati dal fisico Ettore Majorana negli anni Trenta e sono particelle che nascono dalla frazionalizzazione degli elettroni e sono allo stesso tempo una particella e una antiparticella.
Nota la teoria, passiamo alla pratica. I ricercatori guidati da Arnab Banerjee del Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee, hanno collaborato con altri importanti laboratori tra cui il Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge e hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Natural Materials. Il loro lavoro si è concentrato sullo studio di un reticolo di tricloruro di rutenio “bombardato” da un fascio di neutroni, secondo la tecnica dello scattering di neutroni, e hanno scoperto che gli elettroni che formano questo reticolo bidimensionale, simile per struttura al grafene, si rompono in pezzi più piccoli, proprio i fermioni di Majorana, formando una sorta di “zuppa” caotica detto proprio liquido di spin quantistico.
Un comportamento decisamente insolito. Tutti i materiali in natura tendono infatti a formare strutture ordinate, tanto che per suddividere gli stati di solido, liquido e gassoso ci è sufficiente definirne la caratteristiche di volume e forma. Pensate poi a un comune materiale magnetico. Questo può essere immaginato come composto da microscopiche calamite, che tenderanno ad allinearsi con il “polo nord”, tutti nella stessa direzione, se il materiale viene raffreddato. Il massimo allineamento si otterrà allo zero assoluto, cioè alla temperatura di zero Kelvin o -273,15 gradi Celsius, quando il movimento delle particelle atomiche è pressoché nullo.
Nel caso del quantum spin liquid questi parametri non sono sufficienti, dato che i fermioni di Majorana che lo compongono non si comportano come microscopiche calamite, ma rimangono in uno stato liquido caotico anche in prossimità dello zero assoluto. Per questo motivo gli scienziati definiscono questo nuovo stato come una sorta di “zuppa d’entanglement frutto di fluttuazioni quantistiche”.
Dmitry Kovrizhin, co-autore dello studio e ricercatore al Cavendish Laboratory dell’università di Cambridge, ha spiegato che quando gli esperimenti sono iniziati non si aspettavano certo questo risultato:
“Fino a poco tempo fa, nemmeno sapevamo quale aspetto avrebbero avuto, in un quantum spin liquid, le impronte che stavamo cerando. La domanda che nei lavori precedenti ci eravamo posti, dunque, era proprio questa: se potessimo svolgere esperimenti su un quantum spin liquid, cosa dovremmo osservare? La scoperta è per noi un importante passo per comprendere la materia quantistica. E’ divertente avere un nuovo stato quantistico che non è mai stato osservato, perché ci apre nuove strade e nuove possibilità”.
Oltre infatti ad aver confermato l’esistenza del quantum spin liquid e dei fermioni di Majorana, osservati per la prima volta nel 2014 dai ricercatori dell’Università di Princeton, questo nuovo risultato apre importanti strade anche a livello tecnologico. I fermioni di Majorana e il quantum spin liquid infatti potrebbero essere usati come mattoni per la costruzione dei computer quantistici, delle macchine con una potenza di calcolo e una velocità tali da permettere agli scienziati di eseguire processi che oggi un normale computer non è in grado di svolgere. Un nuovo stato della materia che apre così nuove strade verso i pc del futuro.
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