Il tempo ci ha insegnato che gli stati della materia che conosciamo dal liceo (solido, liquido, gas e plasma) sono solo la punta dell’iceberg. Nei meandri della fisica quantistica e dei materiali magnetici si nascondono fasi esotiche che potrebbero rivoluzionare le tecnologie del futuro. È il caso della recente scoperta dei fisici Weiguo Yin e Alexei Tsvelik del Brookhaven National Laboratory, che hanno identificato una nuova fase in un ferrimagnete unidimensionale: uno stato denominato “half ice, half fire” (metà ghiaccio, metà fuoco).
Questa configurazione straordinaria consiste in un pattern di spin elettronici in cui coesistono stati altamente ordinati (freddi come il ghiaccio) e altamente disordinati (caldi come il fuoco). La storia di questa scoperta, pubblicata sul prestigioso journal Physical Review Letters, affonda le radici in oltre un decennio di ricerca e rappresenta un tassello fondamentale nella comprensione dei materiali magnetici.
Un piccolo passo indietro: cos’è un ferrimagnete in poche (e spero semplici) parole.
Immaginate una squadra di tiro alla fune dove da una parte tirano 5 persone e dall’altra 3. La corda si sposterà verso la parte con più persone, ma ci sarà comunque tensione da entrambi i lati. Il ferrimagnete è come quella corda, ha un magnetismo “netto” anche se le forze magnetiche interne si “contrastano” un po’.
In sintesi: un ferrimagnete è un materiale che, a livello microscopico, ha atomi con momenti magnetici allineati in direzioni opposte, ma i momenti in una direzione sono più forti che nell’altra.
Un viaggio iniziato dieci anni fa
La scoperta di questa nuova fase della materia non è arrivata dal nulla. Il viaggio è iniziato nel 2012, quando Yin e Tsvelik facevano parte di una collaborazione multi-istituzionale guidata dal fisico John Hill del Brookhaven Lab. Il gruppo stava studiando un composto magnetico chiamato Sr3CuIrO6 (un materiale a base di stronzio, rame, iridio e ossigeno). Anche quel lavoro portò a due pubblicazioni su Physical Review Letters, una guidata dagli esperimenti nel 2012 e una focalizzata sulla teoria nel 2013.
Nonostante le loro approfondite ricerche, però, qualcosa mancava ancora. Come sottolinea Tsvelik,
“anche dopo la nostra estesa ricerca, non sapevamo ancora come questo stato potesse essere utilizzato”.
Il modello matematico di Ising, che produceva lo stato “half-fire, half-ice” (metà fuoco, metà ghiaccio), era noto da un secolo per non ospitare transizioni di fase a temperatura finita. Mancavano pezzi fondamentali del puzzle.
Yin ha da poco identificato un indizio sui pezzi mancanti. In due pubblicazioni, ha dimostrato che la transizione di fase “proibita” poteva essere approcciata mediante un fenomeno di crossover ultraristretto a temperatura finita fissa.
In parole ancora più semplici? Yin ha scoperto che anche se una trasformazione sembra impossibile, si può “imbrogliare” il sistema facendola avvenire in un modo molto specifico e controllato, a una certa temperatura. È come trovare un passaggio segreto per andare da un punto A a un punto B, anche se la strada diretta è bloccata.
Quando il ghiaccio e il fuoco si scambiano di posto
Nella loro ricerca attuale, Yin e Tsvelik hanno scoperto che “half fire, half ice” ha uno stato opposto e nascosto in cui gli spin caldi e freddi si scambiano di posizione. In altre parole, gli spin caldi diventano freddi e quelli freddi diventano caldi.
Il modello rivela che il passaggio tra le fasi avviene in un intervallo di temperatura estremamente ristretto, e i ricercatori hanno già suggerito possibili applicazioni future. Ad esempio, questo fenomeno di commutazione ultraprecisa con un gigantesco cambiamento di entropia magnetica potrebbe essere utile per tecnologie di refrigerazione. Inoltre, potrebbe costituire la base per un nuovo tipo di tecnologia di immagazzinamento delle informazioni quantistiche in cui le fasi fungono da bit.
Ferrimagnete e fase “metà ghiaccio, metà fuoco”, implicazioni e prospettive future
La scoperta di questa nuova fase della materia è significativa. Non solo perché non si era mai osservata prima, ma anche perché è in grado di guidare commutazioni estremamente rapide tra fasi nel materiale a una temperatura ragionevole e finita.
“Trovare nuovi stati con proprietà fisiche esotiche e poter comprendere e controllare le transizioni tra quegli stati sono problemi centrali nei campi della fisica della materia condensata e della scienza dei materiali”, ha affermato Yin.
“Risolvere questi problemi potrebbe portare a grandi progressi in tecnologie come il quantum computing e la spintronica”.
Tsvelik ha aggiunto:
“Suggeriamo che le nostre scoperte possano aprire una nuova porta alla comprensione e al controllo delle fasi e delle transizioni di fase in certi materiali”.
Il prossimo passo per i ricercatori sarà esplorare il fenomeno “fuoco-ghiaccio” in sistemi con spin quantistici e con ulteriori gradi di libertà del reticolo, della carica e orbitali. Come ha dichiarato Yin, “la porta a nuove possibilità è ora spalancata”.
Mi colpisce particolarmente come questa scoperta rappresenti il perfetto esempio di quanto la ricerca fondamentale possa essere sorprendente e imprevedibile. Ciò che è iniziato come lo studio di un semplice modello unidimensionale ha rivelato un fenomeno fisico completamente nuovo, con potenziali applicazioni che spaziano dalle tecnologie energetiche all’informatica quantistica.
A volte, è proprio nei sistemi più semplici che si nascondono le complessità più affascinanti della natura.
