Nou tip de magnetism - lichidul cu spin

Pornind de la previziuni teoretice anterioare, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Massachussets (MIT) au demonstrat existenţa unui  tip de comportament magnetic nou, care se adaugă la cele două tipuri de magnetism cunoscute până în prezent.

Cercetătorii de la MIT a descoperit un nou tip de magnetism

Experimentele demonstrează existența unui "lichid cuantic de centrifugare", care ar putea avea aplicații în memoria de stocare a calculatoarelor de ultimă generație.

Feromagnetismul – simpla magnetizare a unei bare magnetice sau a unui ac de compas - este cunoscut de secole.  În cel de al doilea tip de magnetism, antiferomagnetismul, câmpurile magnetice ale ionilor din componenţa unui metal sau a unui aliaj se anulează unul pe celălalt. În ambele cazuri materialele devin magnetice numai atunci când sunt răcite sub un anumit nivel critic de temperatură. Pentru anticiparea şi descoperirea feromagnetismului – care a stat la baza capetelor de citire ale hard discurilor din computerele prezentului – Louis Neel a  câştigat premiul Nobel în 1970, iar profesorul emerit Clifford Shull de la Institutul de Tehnologie din Massacussets, în 1994.

Fizicienii MIT au crescut acest cristal pur de herbersmithit în laboratorul lor. Această mostră, a cărei dezvoltare a durat 10 luni, este de 7 mm lungime (puțin peste un sfert de inch) și cântărește 0,2 grame.

Imagine: Han Tianheng

“Noi demonstrăm că există o a treia stare esenţială a magnetismului”, a declarat profesorul fizician Young Lee de la MIT. Activitatea experimentală, care  demonstrează existenţa acestei stări numite lichid cu spin cuantic (quantum spin liquid - QSL, care reprezintă o stare de superpoziţie în care spinurile indică simulat în diferite direcţii n.n.), a fost publicată în cursul săptămânii trecute în revista  Nature, într-un articol avându-i ca autor principal pe Lee şi ca autor coordonator pe Han Tianheng, care a obţinut doctoratul în fizică la MIT la începutul acestul an.

QSL este un cristal solid, dar starea sa magnetică este descrisă ca fiind lichidă: spre deosebire de celelalte două tipuri de magnetism, orientările magnetice ale particulelor individuale din conţinutul său fluctuează în mod constant, asemănător cu mişcarea constantă a moleculelor dintr-un lichid adevărat.

Găsirea dovezii

În componenţa materialului nu există o ordine statică a orientărilor magnetice, cunoscute sub numele de momente magnetice, a explicat Lee. ”Dar există o interacţiune puternică între ele şi datorită efectelor cuantice acestea nu se "blochează"”, a mai spus el.

Cu toate că este extrem de greu să măsori sau să dovedeşti existenţa acestei stări ”exotice”, Lee a spus că  ”aceasta este una dintre cele mai puternice dovezi experimentale care probează teoria. Ceea ce obişnuia să fie doar un model teoretic este acum un sistem fizic real”.

Philip Anderson, un teoretician de marcă, a propus pentru prima dată acest concept în 1987, afirmând că această stare ar putea fi relevantă pentru supraconductorii de temperatură înaltă, iar Lee este de părere că  “Începând de atunci, toţi fizicienii şi-au dorit să creeze o astfel de stare. Dar numai în ultimii ani s-au făcut cu adevărat progrese în acest sens”.

Materialul în sine este cristalul unui mineral denumit herbertsmithit (după numele mineralogistului Herbert Smith care l-a descoperit pentru prima oară în Chile, în 1972. Mineralul este înrudit îndeaproape cu paratacamitul și se găsește în general în zona Anarak din Iran, de unde și celălalt nume al său, anarakit). Anul trecut, Lee şi colegii săi au reuşit să obţină din acest material un cristal mare şi pur – un proces care a durat 10 luni- și de atunci studiază proprietăţile sale în detaliu.

“A fost vorba de o colaborare intradisciplinară, cu fizicieni şi chimişti”, a explicat Lee. ”Este nevoie de ambele profesii pentru a putea sintetiza materialul şi pentru studierea acestuia cu tehnici avansate din domeniul fizicii. Dar și teoreticienii ne-au fost de un mare folos.”

Prin aceste experimente, echipa a realizat o descoperire semnificativă, a explicat Lee: ei au descoperit o stare cu excitaţii fracţionate, care a fost prezisă de unii teoreticieni, fiind considerată o idee controversată. În timp ce cea mai mare parte a materiei prezintă stări cuantice discrete, ale căror variaţii sunt exprimate prin numere întregi, acest material, QSL, prezintă stări cuantice fracţionate. De fapt cercetătorii au descoperit că aceste stări de excitaţie denumite spinoni formează un continuum. Conform afirmaţiilor lor din articolul apărut în revista ”Nature”, această observație marchează o adevărată premieră în domeniu.

Dispersia neutronilor

Pentru a măsura această stare, echipa a folosit o tehnică numită dispersia neutronilor, care este specialitatea lui Lee. În executarea măsurătorilor, ei au folosit un spectrometru de la Institutul Naţional de Standarde şi Tehnologie din Gaithersburg, Maryland.

Potrivit lui Lee, ”rezultatele au condus la concluzia că există dovezi clare privind fracţionarea stărilor de centrifugare. Aceasta este o previziune teoretică fundamentală pentru lichidele în rotire pe care le putem vedea într-un mod clar şi detaliat pentru prima dată.”

S-ar putea să dureze foarte mult timp până când o astfel de ”cercetare extrem de importantă” va putea fi transpusă în aplicaţii practice”, a spus Lee. Dar munca de până acum ar putea duce pe viitor la mari progrese în stocarea de date sau în domeniul comunicaţiilor, a mai spus el - prin posibila utilizare a unui fenomen cuantic exotic denumit întrepătrunderea în reţea cu rază lungă de acţiune, prin care două particule separate la mare distanţă îşi pot influenţa instantaneu stările în mod reciproc. Descoperirile pot, de asemenea, ajuta în domeniul cercetărilor privind supraconductorii de temperaturi înalte şi ar putea conduce la noi dezvoltări în acest domeniu. 

“Trebuie să ajungem la o înţelegere mai cuprinzătoare a imaginii de ansamblu”, este de părere Lee. ”Nu există o teorie care să descrie tot ceea ce vedem”.

Subir Sachdev, profesor de fizică la Universitatea Harvard, care nu a fost implicat direct în această cercetare a spus că descoperirile care au fost de fapt anticipate de zeci de ani, ”sunt cu adevărat semnificative şi deschid un nou capitol în studiul reţelelor cuantice ale sistemelor mai multor organisme. El a declarat că ”detectarea unor astfel de stări este o sarcină extrem de dificilă. Young Lee şi echipa sa au biruit în mod strălucit toate dificultăţile întâlnite pe parcursul  minunatului lor experiment.”

În afară de Lee şi Han, la studiu au mai contribuit  şi J.S. Helton  de la Institutul Naţional de Standarde și Tehnologie (NIST), cercetătorul  Shaoyan Chu  de la Centrul MIT pentru Ştiinţa şi Ingineria Materialelor, profesorul în chimie Daniel Nocera (MIT), Jose Rodriguez-Rivera (NIST), Universitatea Maryland, precum şi Colin Broholm  de la Universitatea Johns Hopkins. Studiul a fost sprijinit de către Departamentul pentru Energie al SUA şi de către Fundaţia Naţională de Ştiinţă.