Realizzata più chiara immagine di quasiparticelle elettroniche nel liquido di spin quantistico

Schema del reticolo di spin triangolare e modello d'onda della densità di carica a stella di David in un monostrato di diseleniuro di tantalio (credito: Mike Crommie et al./Berkeley Lab)

L’immagine più chiara di particelle elettroniche in uno stato magnetico abbastanza misterioso denominato liquido di spin quantistico è stata realizzata da un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Come spiega Mike Crommie, scienziato senior che ha partecipato al progetto, si tratta del primo “quadro reale dello stato in cui vive lo spinone”.[1]

Cos’è lo spinone

Lo spinone è una quasiparticella che, insieme agli oloni e agli orbitoni, forma il trio di quasiparticelle in cui gli elettroni si dividono nel corso della separazione spin-carica. Ciò succede quando gli stessi elettroni vengono confinati in uno spazio in maniera molto ristretta e a temperature molto vicine allo zero assoluto.[3]
Gli spinoni possono essere considerati “particelle fantasma”: nessuno riesce a provare che esistono ma quasi tutti sono convinti che esistono davvero, come lascia intendere Sung-Kwan Mo,[1] ricercatore dell’Advanced Light Source del Berkeley ed uno degli autori dello studio apparso sulla rivista Nature Physics.[2]

Passo avanti per i computer quantistici?

La possibilità di realizzare immagini di quasiparticelle elettroniche con dettagli del genere potrebbe rivelarsi utilissima per effettuare passi avanti fondamentali nella realizzazione di computer quantistici superveloci e di superconduttori ad alta efficienza energetica.[1]

Metodo particolare per rilevare gli spinoni

In genere per rilevare gli spinoni gli scienziati provano a cercare le loro firme di calore. In questo caso i ricercatori sono riusciti a visualizzarli in maniera diretta e hanno visualizzato la loro distribuzione in un materiale, nello specifico uno strato singolo di diseleniuro di tantalio avente uno spessore di soli tre atomi.
Questo materiale è speciale: è un dicalcogenuro di metalli di transizione, una classe di materiali semiconduttori bidimensionali molto interessanti per le loro proprietà fisiche.[4]

Notato anche qualcosa di inspiegabile

Utilizzando una tecnica di spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolto e la microscopia a effetto tunnel, i ricercatori hanno iniettato degli elettroni attraverso un ago metallico nel diseleniuro di tantalio per poi realizzare delle immagini.
Tra l’altro i ricercatori hanno anche misurato il modo con cui le particelle si dispongono in un particolare livello energetico notando qualcosa di inaspettato e inspiegabile: un caratteristico strato di misteriose onde con lunghezze maggiori di 1 nm che ricopriva la superficie del materiale.[1]

Firma delle particelle fantasma

“Le lunghe lunghezze d’onda che abbiamo visto non corrispondevano a nessun comportamento noto del cristallo”, spiega Mike Crommie, uno degli scienziati che ha guidato il team di studio. “Ci siamo grattati la testa per molto tempo. Cosa potrebbe causare tali modulazioni di lunghezza d’onda nel cristallo? Abbiamo escluso le spiegazioni convenzionali una per una. Non sapevamo che questa fosse la firma delle particelle fantasma dello spinone”.
Secondo i ricercatori durante il processo gli spinoni subivano una “esperienza fuori dal corpo” nel momento in cui si separavano e si muovevano liberamente nel materiale: “Questo è insolito poiché in un materiale convenzionale, gli elettroni trasportano sia lo spin che la carica combinati in una particella mentre si muovono”, ha spiegato. “Di solito non si rompono in questo modo divertente.”

Note e approfondimenti

  1. Scientists take clearest picture yet of quantum particles taking a spin (IA)
  2. Evidence for quantum spin liquid behaviour in single-layer 1T-TaSe2 from scanning tunnelling microscopy | Nature Physics (IA) (DOI: 10.1038/s41567-021-01321-0)
  3. Spinon – Wikipedia in inglese (IA)
  4. Monostrato dicalcogenuri dei metalli di transizione – Wikipedia in italiano (IA)

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