Risolvere i puzzle fisici con i punti colorati

Da vicino si tratta semplicemente di tanti puntini colorati, ma da lontano si può vedere un quadro dettagliato a più strati: George Seurat ha usato la tecnica del puntinismo per creare il capolavoro "Una domenica pomeriggio sull'isola della Grande Jatte" nel 1886. Eugene Demler e i suoi collaboratori dell'ETH di Zurigo studiano in modo simile i sistemi quantistici complessi costituiti da molte particelle interagenti. I punti colorati non vengono creati tamponando con un pennello, ma rendendo visibili i singoli atomi in laboratorio.

Insieme ai colleghi di Harvard e Princeton, il gruppo di Demler ha ora analizzato un tipo speciale di magnetismo utilizzando il nuovo metodo, che hanno chiamato "puntinismo quantistico". I ricercatori hanno appena pubblicato i loro risultati in due articoli sulla rivista scientifica Nature.

Cambio di paradigma nella comprensione

"Le indagini rappresentano un cambiamento di paradigma nella nostra comprensione di questi fenomeni quantistici magnetici. Finora non siamo stati in grado di studiarli in dettaglio", afferma Demler. Tutto è iniziato circa due anni fa all'ETH. Il gruppo di ricerca di Ata? Imamo?lu stava studiando sperimentalmente materiali speciali con un reticolo cristallino triangolare (materiali moiré costituiti da dicalcogenuri di metalli di transizione). Analizzando i dati di Imamo?lu, Demler e il suo ricercatore post-dottorando Ivan Morera hanno scoperto caratteristiche speciali che indicavano un tipo di magnetismo che in precedenza era stato previsto solo teoricamente. "In questo magnetismo cinetico, pochi elettroni che si muovono nel reticolo cristallino possono magnetizzare il materiale", spiega Morera.

Nell'esperimento di Imamo?lu, questo effetto, noto agli esperti come meccanismo di Nagaoka, è stato dimostrato per la prima volta in un solido misurando la suscettibilità magnetica, ossia la forza con cui il materiale reagisce a un campo magnetico esterno. "Questa prova si è basata su un'evidenza molto forte. Per una prova diretta, tuttavia, sarebbe stato necessario analizzare simultaneamente lo stato degli elettroni - la loro posizione e la direzione dello spin - in diversi punti del materiale", spiega Demler.

Processi complessi resi visibili

In uno stato solido, tuttavia, questo non è possibile con i metodi convenzionali. Con l'aiuto della diffrazione di raggi X o neutroni, i ricercatori possono al massimo scoprire come gli spin degli elettroni in due punti si relazionano tra loro - la cosiddetta correlazione di spin. Tuttavia, non possono misurare le correlazioni tra disposizioni di spin complesse e un elettrone in eccesso o mancante.

Per visualizzare i complessi processi del meccanismo di Nagaoka, che Demler e Morera avevano calcolato con l'aiuto di un modello, si sono rivolti ai colleghi di Harvard e Princeton. Lì, i team guidati da Markus Greiner e Waseem Bakr hanno sviluppato simulatori quantistici con cui è possibile simulare con precisione le condizioni di un solido. Invece degli elettroni che si muovono in un reticolo di atomi, i ricercatori statunitensi utilizzano in questi simulatori atomi estremamente raffreddati, che sono intrappolati in un reticolo ottico di fasci di luce. Tuttavia, le equazioni matematiche utilizzate per descrivere gli elettroni nel solido e gli atomi nel reticolo di luce sono quasi identiche.

Istantanee colorate del sistema quantistico

Utilizzando un microscopio ad alto ingrandimento, i gruppi di ricerca di Greiner e Bakr sono riusciti a risolvere non solo le posizioni dei singoli atomi, ma anche l'orientamento dei loro spin. Hanno tradotto le informazioni di queste istantanee del sistema quantistico in grafici colorati che potevano essere confrontati con le immagini teoriche del puntinismo. Ad esempio, Demler e i suoi collaboratori avevano calcolato teoricamente come, nel meccanismo di Nagaoka, un singolo elettrone in eccesso che si accoppia con un altro elettrone con spin opposto si muove attraverso il reticolo cristallino triangolare del materiale come un doppietto. Secondo le previsioni di Demler e Morera, il doblone dovrebbe essere circondato da una nube di elettroni con spin paralleli, cioè allineati ferromagneticamente. Questa nube è nota anche come polarone magnetico.

Questo è esattamente ciò che i ricercatori americani hanno visto nei loro esperimenti. Inoltre, se nella griglia luminosa del simulatore quantistico mancava un atomo - che corrispondeva a un elettrone mancante o a un "buco" nel cristallo reale - attorno a questo buco si formava una nuvola di atomi con spin allineati in modo opposto. Questo è esattamente ciò che Demler e Morera avevano previsto. Questo ordine antiferromagnetico (o più precisamente: correlazioni antiferromagnetiche) era già stato dimostrato indirettamente in un esperimento allo stato solido alla Cornell University negli Stati Uniti. Ora è diventato direttamente visibile nel simulatore quantistico.

"Per la prima volta, abbiamo risolto un enigma fisico con esperimenti sia sul solido 'reale' che nel simulatore quantistico. Il nostro lavoro teorico è la colla che tiene insieme tutto", afferma Demler. ? fiducioso che il suo metodo sarà utile anche per altri problemi difficili in futuro. Per esempio, il meccanismo di formazione della nube di polaroni magnetici potrebbe avere un ruolo importante nei superconduttori ad alta temperatura.