Stato quantistico noto come Dirac Spin Liquid

I ricercatori hanno scoperto gli spinoni di Dirac nel materiale YCu3-Br, fornendo la prova di uno stato liquido con spin quantistico e potenzialmente facendo avanzare le applicazioni nell’informatica quantistica e nella superconduttività ad alta temperatura

Le quasiparticelle emergenti con dispersione di Dirac nei sistemi di materia condensata possono essere descritte dall'equazione di Dirac per gli elettroni relativistici, in analogia con le particelle di Dirac nella fisica delle alte energie. Ad esempio, gli elettroni con dispersione di Dirac sono stati studiati intensamente in sistemi elettronici come il grafene e gli isolanti topologici. Tuttavia, la carica non è un prerequisito per i fermioni di Dirac, ed è stato teoricamente previsto che l'emergere di fermioni di Dirac senza un grado di libertà di carica si realizzi nei liquidi con spin quantistico di Dirac. Queste quasiparticelle hanno uno spin pari a 1/2 ma sono cariche neutre e quindi sono chiamate spinoni.

Le quasiparticelle sono entità affascinanti che nascono dal comportamento collettivo all'interno dei materiali e possono essere trattate come un gruppo di particelle. Nello specifico, si prevede che gli spinoni di Dirac mostrino caratteristiche uniche simili alle particelle di Dirac nella fisica delle alte energie e agli elettroni di Dirac nel grafene e nei materiali quantistici moiré, come una relazione di dispersione lineare tra energia e quantità di moto. Tuttavia, fino a questo lavoro, le quasiparticelle con carica neutra e spin ½ non erano state osservate nei magneti quantistici.

«Trovare gli spinoni di Dirac nei magneti quantistici è stato il sogno di generazioni di fisici della materia condensata; ora che ne abbiamo visto le prove, si può iniziare a pensare alle innumerevoli potenziali applicazioni di un materiale quantistico così altamente correlato. Chissà, forse un giorno le persone costruiranno computer quantistici con esso, proprio come hanno fatto nell'ultimo mezzo secolo con il silicio», ha detto il professor Zi-Yang Meng (1), fisico della HKU e uno degli autori corrispondenti dell'articolo.

Lo studio del team, descritto in un articolo pubblicato su Nature Physics (2), si è concentrato su un materiale unico noto come YCu3-Br, caratterizzato da una struttura reticolare kagome che porta alla comparsa di queste sfuggenti quasiparticelle. Studi precedenti avevano accennato al potenziale del materiale di mostrare uno stato liquido con spin quantistico, rendendolo un candidato ideale per l’esplorazione. Per consentire l'osservazione degli spinoni in YCu3-Br, il gruppo di ricerca ha superato numerose sfide assemblando insieme circa 5.000 cristalli singoli, soddisfacendo i requisiti per condurre esperimenti come la diffusione anelastica di neutroni.

Utilizzando tecniche avanzate come la diffusione anelastica di neutroni, il team ha sondato le eccitazioni di spin del materiale e ha osservato intriganti modelli di continuum di spin conico, che ricordano il caratteristico cono di Dirac. Anche se il rilevamento diretto di un singolo spinone si è rivelato impegnativo a causa delle limitazioni sperimentali, il team ha confrontato i risultati con le previsioni teoriche, rivelando caratteristiche spettrali distinte indicative della presenza di spinoni nel materiale.

Trovare prove spettrali delle eccitazioni dello spinone di Dirac è sempre stata una sfida. Questa scoperta fornisce prove convincenti dell’esistenza di uno stato liquido con spin quantistico di Dirac, che può essere simile a un chiaro grido che taglia la nebbia dell’indagine spettrale sullo stato liquido con spin quantistico. I risultati non solo fanno avanzare la nostra comprensione fondamentale della fisica della materia condensata, ma aprono anche le porte per ulteriori esplorazioni sulle proprietà e sulle applicazioni di YCu3-Br.

Caratterizzato dalla presenza di eccitazioni spinoniche frazionarie, lo stato liquido con spin quantistico è potenzialmente rilevante per la superconduttività ad alta temperatura e l'informazione quantistica. In questo stato gli spin sono molto aggrovigliati e rimangono disordinati anche a basse temperature. Pertanto, lo studio dei segnali spettrali derivanti dagli spinoni che obbediscono all’equazione di Dirac fornirebbe una comprensione più ampia dello stato liquido della materia con spin quantistico. Tale comprensione funge anche da guida verso le sue applicazioni più ampie, inclusa l’esplorazione della superconduttività ad alta temperatura e dell’informazione quantistica.

Riferimenti:

(1) Zi-Yang Meng

(2) Spectral evidence for Dirac spinons in a kagome lattice antiferromagnet

Descrizione foto: Il dottor Chengkang Zhou (left) e il professor Zi Yang Meng (right) del Dipartimento di Fisica presso l'University of Hong Kong. - Credit: The University of Hong Kong.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: HKU Theoretical Physicists Collaborate alongside CAS Experimentalists Uncovering Novel Quantum State known as “Dirac Spin Liquid”