Riassunto:
Il gruppo di ricerca dell'Università di Osaka in Giappone ha recentemente compiuto progressi nella scienza dei materiali: i ricercatori hanno utilizzato il cobalto, un metallo relativamente comune, per costruire una struttura a nido d'ape di cobalto locale in una pellicola di ossido con una struttura cristallina a nido d'ape esistente e hanno osservato un magnetismo speciale correlato ai materiali quantistici di tipo Kitaev. Questo risultato fornisce un nuovo sistema materiale che non si basa su metalli rari come rutenio e iridio per studiare stati quantistici esotici come i liquidi a spin quantistico.
Il materiale di base scelto dai ricercatori è l'antimonato di sodio (NaSbO₃), che a sua volta ha una struttura a nido d'ape a strati. Il team di ricerca ha aggiunto circa il 4% di cobalto, consentendo agli atomi di cobalto di formare localmente una struttura a nido d’ape di CoO₆ senza distruggere la struttura cristallina originale su larga scala.
I ricercatori hanno quindi utilizzato l'analisi microscopica per confermare che gli atomi di cobalto erano effettivamente aggregati in una struttura locale a nido d'ape, come previsto dalla teoria, e che non si era formata alcuna seconda fase indesiderata. Questo è importante perché per creare un materiale con un magnetismo quantistico specifico non è sufficiente aggiungere semplicemente un elemento a un altro cristallo. Gli atomi droganti devono inoltre formare una struttura locale sufficientemente stabile con una disposizione geometrica specifica.
La chiave di questa ricerca risiede nella disposizione stessa del nido d'ape. I materiali di Kitaev sono apprezzati dai fisici perché specifici reticoli a nido d'ape e interazioni magnetiche possono produrre stati quantistici molto speciali, i più interessanti dei quali sono i liquidi a spin quantistico.
Nei normali materiali magnetici, gli spin di un gran numero di atomi tendono alla fine a disporsi secondo determinate regole, come formare una struttura ferromagnetica o antiferromagnetica. Ma nei liquidi con spin quantistico, anche se la temperatura è ridotta a livelli molto bassi, gli spin potrebbero non essere in grado di formare un ordine magnetico a lungo raggio nel senso tradizionale a causa delle fluttuazioni quantistiche, ma mantenere uno stato dinamico altamente entangled.
Questo tipo di materiale è sempre stato un importante oggetto di ricerca in fisica quantistica. Teoricamente, alcuni liquidi a spin quantistico potrebbero avere eccitazioni di quasiparticelle e proprietà topologiche molto speciali, e sono quindi considerati potenzialmente rilevanti per il futuro dell’informatica quantistica e per la ricerca su nuovi dispositivi quantistici. Tuttavia, questo tipo di materiale è ancora lontano dall’essere effettivamente utilizzato nell’informatica quantistica.
In precedenza, un gran numero di ricerche sui materiali Kitaev si concentravano su composti contenenti rutenio e iridio, perché questi elementi possono fornire proprietà come il forte accoppiamento spin-orbita richiesto per la ricerca. Tuttavia, sia il rutenio che l'iridio sono elementi relativamente rari e costosi, il che in una certa misura limita la preparazione su larga scala e l'ulteriore esplorazione applicativa dei materiali correlati.
Ecco perché il cobalto preoccupa i ricercatori. Il cobalto è un metallo di transizione relativamente comune ampiamente utilizzato nelle batterie, nelle leghe, nella produzione di semiconduttori e in altri campi. Il suo costo e la sua fornitura sono generalmente più favorevoli all'uso su larga scala rispetto al rutenio e all'iridio. Il gruppo di ricerca spera di verificare una questione chiave: se è possibile fare in modo che il cobalto formi una struttura a nido d'ape simile a quella del materiale di Kitaev, e ottenere così proprietà magnetiche con valore di ricerca.
I risultati sperimentali mostrano che questa idea è effettivamente fattibile. Le misurazioni magnetiche hanno rilevato che il materiale appare in uno stato ferromagnetico vicino a circa 88 Kelvin, ovvero circa meno 185 gradi Celsius. Calcoli teorici mostrano che questo comportamento magnetico è strettamente correlato alla disposizione degli atomi di cobalto nella struttura locale a nido d’ape del CoO₆.
Lo studio ha inoltre scoperto che il materiale presenta un accoppiamento antiferromagnetico tra gli strati, ovvero, sebbene la struttura locale presenti caratteristiche magnetiche simili al ferromagnetico, le direzioni delle interazioni magnetiche tra i diversi strati sono diverse. Questa complessa interazione magnetica costituisce una base importante per lo studio di nuovi materiali magnetici quantistici.
Tuttavia, i ricercatori hanno anche sottolineato chiaramente che attualmente non ci sono prove che questo materiale a base di cobalto abbia formato un liquido a spin quantistico. Pertanto, non è corretto chiamare direttamente questo risultato “la scoperta di un liquido a spin quantistico che può essere utilizzato per l’informatica quantistica”. Un’affermazione più accurata in questa fase è che il gruppo di ricerca ha creato una nuova piattaforma materiale con caratteristiche magnetiche di tipo Kitaev e basata sul più comune elemento cobalto.
Un altro importante significato di questo lavoro è che i ricercatori non hanno creato forzatamente una struttura a nido d'ape attraverso una tecnologia di disposizione atomica artificiale estremamente complessa. Invece, hanno incorporato il cobalto nel NaSbO₃, che ha già un reticolo a nido d’ape, e hanno permesso agli atomi di cobalto di formare da soli una struttura a nido d’ape locale di CoO₆.
I ricercatori hanno affermato che la capacità di queste strutture a nido d'ape di cobalto di formarsi naturalmente e produrre gli evidenti segnali magnetici previsti dalla teoria è un risultato entusiasmante di questo lavoro. Ciò significa che idee simili per la progettazione di materiali potrebbero essere utilizzate in futuro, selezionando materiali ordinari con strutture reticolari specifiche come “modelli” e quindi aggiungendo elementi magnetici appropriati per costruire materiali quantistici che in passato potevano contare solo su elementi rari.
Il team di ricerca sta attualmente modificando ulteriormente la struttura del materiale e testando le sue proprietà quantistiche in modo più dettagliato. Le domande importanti nella fase successiva includono se le interazioni magnetiche rilevanti possano essere ulteriormente migliorate e controllate e se il materiale possa entrare in uno stato quantistico più vicino al modello teorico di Kitaev modificando la concentrazione, la struttura cristallina e l'accoppiamento interstrato del cobalto.
Pertanto, il significato di questa ricerca si riflette temporaneamente più nei campi della scienza dei materiali di base e della ricerca sul magnetismo quantistico, piuttosto che nella creazione immediata di un nuovo chip di computer quantistico. Ciò che in realtà fornisce è un nuovo percorso di progettazione dei materiali: utilizzare il cobalto, che è relativamente abbondante nelle riserve e relativamente a basso costo, per costruire speciali strutture magnetiche locali nei materiali reticolari a nido d’ape esistenti, riducendo così la dipendenza da elementi rari come rutenio e iridio.
Se la ricerca di follow-up può dimostrare ulteriormente che questo sistema basato sul cobalto ha un entanglement quantistico, un'eccitazione topologica o altre caratteristiche quantistiche di tipo Kitaev più forti, allora potrebbe diventare un'importante piattaforma sperimentale per lo studio dei liquidi con spin quantistico e di nuovi materiali quantistici e potrebbe anche fornire nuove direzioni per la futura esplorazione di materiali quantistici più facili da produrre su larga scala.
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