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Una scoperta sta scuotendo il mondo della fisica: un team di ricercatori ha osservato una forma singolare di magnetismo monodimensionale in un composto metallico, il Ti₄MnBi₂. Fino ad ora, questo fenomeno era ritenuto esclusiva di materiali isolanti.
“Abbiamo dimostrato l’esistenza di una nuova categoria di materiali quantistici che sono al contempo metallici e magneti monodimensionali, con un forte legame tra i momenti magnetici e la loro ‘casa’ metallica,” ha spiegato Meigan Aronson, professoressa al Blusson Quantum Matter Institute (UBC Blusson QMI) e tra gli autori dello studio.
Questi risultati forniscono anche evidenza di uno “spazio delle fasi”, un concetto chiave in fisica per descrivere tutti i possibili stati di un sistema. Immaginatelo come una mappa dove ogni punto rappresenta una combinazione unica delle variabili del sistema, come posizione e momento.
Il Ti₄MnBi₂ si aggiunge a un ristretto gruppo di materiali metallici con magnetismo monodimensionale accertato – l’altro è lo Yb₂Pt₂Pb – ma si distingue per essere il primo in cui il magnetismo è strettamente intrecciato alla sua natura metallica, rendendolo davvero speciale.
Il team di ricerca ha focalizzato la propria attenzione sulle “catene di spin” all’interno del Ti₄MnBi₂. Queste catene sono come sequenze di minuscoli magneti disposti in modo tale da influenzarsi reciprocamente con facilità. Attraverso l’utilizzo della diffusione neutronica, affiancata da sofisticate simulazioni al computer, i ricercatori hanno constatato che il Ti₄MnBi₂ è un materiale raro che si conforma a un modello teorico particolare.
Nei materiali tridimensionali, a basse temperature si formano strutture ordinate. Tuttavia, sistemi come il Ti₄MnBi₂ sono dominati da fluttuazioni quantistiche, il che impedisce loro di stabilizzarsi in una struttura fissa. In questo modello speciale, gli spin nel Ti₄MnBi₂ non si allineano in semplici schemi poiché le loro interazioni sono “frustrate” – competono in un modo che ostacola un facile allineamento. Questo genera stati magnetici complessi che teoricamente esistono solo allo zero assoluto, confermando la presenza di magnetismo monodimensionale in un composto metallico.
“Dimostrando che questo ‘terreno di mezzo’ esiste, il Ti₄MnBi₂ rappresenta un passo cruciale verso la definizione di un vasto panorama quantistico pronto per l’esplorazione. È possibile che l’eccellente corrispondenza tra esperimento e teoria computazionale che abbiamo mostrato possa servire da riferimento per le simulazioni quantistiche.”
Le implicazioni di questa scoperta sono potenzialmente molteplici e di vasta portata. Ad esempio, i dati ottenuti tramite la diffusione neutronica potrebbero facilitare il confronto tra risultati sperimentali e diversi modelli teorici di entanglement quantistico, un concetto fondamentale nelle tecnologie quantistiche.
Inoltre, materiali come il Ti₄MnBi₂ potrebbero aprire la strada a dispositivi di memoria più veloci ed efficienti, in quanto potrebbero portare a progressi nella spintronica, una tecnologia che sfrutta lo spin degli elettroni per elaborare i dati. I ricercatori hanno già prodotto 100 lotti di cristalli di Ti₄MnBi₂ e altri 400 sono in programma, destinati a ulteriori esperimenti per svelare appieno il potenziale di questa affascinante scoperta.
