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Un gruppo di fisici del Brookhaven National Laboratory ha identificato un inedito stato magnetico
In un’inaspettata svolta nella fisica dello stato solido, due ricercatori del Brookhaven National Laboratory, Weiguo Yin e Alexei Tsvelik, hanno identificato una nuova fase della materia in un sistema magnetico unidimensionale. Si tratta di un inedito schema di spin elettronici, denominato “metà ghiaccio, metà fuoco”, in cui spin ordinati e disordinati coesistono nello stesso materiale. Questa configurazione, mai osservata prima, è in grado di innescare transizioni estremamente rapide tra stati magnetici, anche a temperature finite, e potrebbe avere applicazioni rivoluzionarie nella tecnologia dell’informazione quantistica e nella refrigerazione magnetica.
Il fenomeno è stato descritto nell’edizione del 31 dicembre 2024 della rivista Physical Review Letters, in uno studio che rappresenta un’evoluzione della precedente scoperta del 2016, in cui Yin e Tsvelik, insieme a Christopher Roth, avevano identificato la fase “metà fuoco, metà ghiaccio”. In quel caso, gli spin “caldi” del rame risultavano completamente disordinati, mentre quelli “freddi” dell’iridio erano perfettamente allineati. Ma i ricercatori non sapevano ancora come sfruttare quella configurazione in applicazioni concrete.
Dall’Ising model all’entropia magnetica: svolta teorica
Le prime osservazioni risalgono al 2012, quando il team iniziò a studiare il comportamento del Sr₃CuIrO₆, un composto magnetico contenente stronzio, rame, iridio e ossigeno. Gli esperimenti avevano mostrato un comportamento anomalo degli spin, ma la teoria prevedeva che nel modello di Ising unidimensionale non fosse possibile alcuna transizione di fase a temperatura finita. “Ci mancavano alcuni pezzi del puzzle”, ha spiegato Tsvelik.
Solo di recente Yin ha dimostrato che queste transizioni “impossibili” possono emergere attraverso strettissimi intervalli di temperatura, una sorta di “passaggio di fase ultrastretto” che sfida i limiti classici dei modelli magnetici. A quel punto, i due fisici hanno rivelato l’esistenza di uno stato complementare alla fase nota: gli spin “freddi” diventano “caldi” e viceversa, dando origine alla nuova configurazione “metà ghiaccio, metà fuoco”.
Nuove applicazioni tra spintronica e computazione quantistica
La scoperta ha implicazioni di rilievo in diversi ambiti della scienza dei materiali. Le transizioni ultrarapide tra stati opposti, con una variazione di entropia magnetica molto marcata, potrebbero essere impiegate in sistemi di refrigerazione avanzata o in unità di memoria quantistica, dove gli stati di spin rappresenterebbero bit magnetici stabili e reversibili.
“Trovare nuovi stati con proprietà fisiche esotiche e imparare a controllare le transizioni tra questi stati è uno degli obiettivi principali della fisica della materia condensata”, ha dichiarato Yin. “Queste scoperte possono aprire la strada a importanti innovazioni tecnologiche”. E Tsvelik aggiunge: “Potremmo aver spalancato una nuova porta nella comprensione delle fasi e delle transizioni di fase in materiali specifici”.
Il futuro dello “spin”: verso nuovi materiali quantistici
Il prossimo passo sarà testare il fenomeno su materiali più complessi, dove oltre agli spin quantistici entrano in gioco cariche, orbitali e deformazioni del reticolo. Il potenziale per nuovi sviluppi è enorme. “Ora che abbiamo compreso questo meccanismo, vogliamo estenderlo a sistemi con più gradi di libertà”, ha concluso Yin. “La porta verso nuove possibilità è ormai spalancata”.
Il cammino dalla teoria alla tecnologia potrebbe essere ancora lungo, ma questa nuova fase della materia promette di cambiare il modo in cui immaginiamo il comportamento magnetico, offrendo strumenti concreti per l’informatica del futuro.
