Descoperirea unei noi forme exotice a materiei: „Pe jumătate gheață, pe jumătate foc”
Într-o realizare științifică impresionantă, cercetătorii de la Brookhaven National Laboratory din Statele Unite au dezvăluit o nouă formă a materiei cu trăsături fascinante și paradoxale: „pe jumătate gheață, pe jumătate foc”. Această descoperire nu se referă la temperaturi extreme, ci descrie o stare exotică a spinurilor electronice – o stare în care proprietățile cuantic-electromagnetice ale particulelor subatomice se comportă într-un mod neobișnuit, dar simetric.
Această realizare este o continuare a unei alte descoperiri anterioare, oferind o înțelegere mai profundă a modului în care particulele își pot modifica stările în materiale magnatice complexe și deschide noi oportunități pentru aplicații avansate în domeniul tehnologiei cuantice.
Ce înseamnă o stare „pe jumătate foc, pe jumătate gheață”?
Termenii „foc” și „gheață” servesc ca o metaforă pentru descrierea comportamentului spinurilor electronilor – caracteristici cuantice care dau naștere magnetismului. În 2016, cercetătorii Weiguo Yin, Christopher Roth și Alexei Tsvelik au investigat compusul Sr₃CuIrO₆ – care conține stronțiu, cupru, iridiu și oxigen – și au constatat o stare în care spinurile asociate atomilor de cupru erau extrem de dezordonate (reprezentând „focul”), în timp ce spinurile atomilor de iridiu erau complet rigide și ordonate (simbolizând „gheața”).
Recent, aceeași echipă a făcut o descoperire inedită: acest comportament se poate inversa într-un interval foarte îngust de temperatură, generând o fază „pe jumătate gheață, pe jumătate foc”. Cu alte cuvinte: atomii de cupru își aliniază spinurile, formând o structură ordonată (gheață), în timp ce atomii de iridiu devin dezorganizați (foc).
Ce determină acest fenomen? – Frustrarea cuantică
La baza acestui comportament neobișnuit se află un concept cunoscut sub numele de „frustrare cuantică”. În termeni simpli, în anumite configurații de materiale, particulele (mai exact, spinurile lor) nu pot interacționa simultan cu toți vecinii într-un mod care să fie benefic energetic pentru toate.
Această frustrare le împiedică să se așeze într-o stare de ordine completă – un paradox care dă naștere unor stări metastabile, unde sistemul pare blocat între mai multe configurații posibile. Modificările subtile în temperatură sau în câmpuri magnetice aplicate pot genera tranziții dramatice între aceste stări, ceea ce a permis fizicienilor să identifice „faza inversată” în Sr₃CuIrO₆.
Relevanța în fizică și tehnologie
Descoperirea acestui tip de tranziție reversibilă are un potențial considerabil pentru dezvoltarea de noi tehnologii. O înțelegere aprofundată a acestor faze ar putea contribui la crearea de materiale cu proprietăți magnetice și electronice reglabile cu mare precizie. Astfel de materiale ar fi esențiale în:
– Computația cuantică – utilizarea spinurilor electronice pentru stocarea și procesarea informației cuantice (qubiți);
– Spintronică – un domeniu emergent care explorează utilizarea spinului și nu doar a încărcăturii electronilor pentru dezvoltarea de dispozitive de memorie și logică mai rapide și eficiente;
– Senzori magnetici cu sensibilitate înaltă – unde comportamentele subtile ale spinurilor pot fi utilizate pentru măsurători precise în medii extreme.
Un puzzle rezolvat cu asistența matematicii
O lungă perioadă, fizicienii au crezut că astfel de tranziții nu pot apare într-un model unidimensional, o descriere teoretică introdusă cu peste o sută de ani în urmă, care susține că într-un sistem cu un singur lanț de atomi, tranzițiile de fază la temperaturi finite sunt imposibile. Totuși,
