I ricercatori hanno appena realizzato una prima mondiale nella fisica quantistica: l’osservazione sperimentale della condensazione di Bose-Einstein (BEC) di uno stato legato di due magnoni in un materiale magnetico. Questa scoperta è stata resa possibile grazie allo spettrometro a risonanza di spin elettronico ad alto campo magnetico, situato nell’infrastruttura SHMFF, in Cina. Il team di ricercatori proviene da diverse istituzioni, tra cui l’Università di Scienza e Tecnologia della Cina meridionale e l’Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare, che ha rilevato questo fenomeno, fino ad ora solo teorico.
La condensazione di Bose-Einstein, un affascinante fenomeno quantistico
La condensazione di Bose-Einstein è uno stato quantistico in cui particelle bosoniche si accumulano nello stesso stato fondamentale a temperature estremamente basse, formando un unico insieme coerente. Finora questo fenomeno era stato osservato principalmente con gas di atomi raffreddati a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto.
Ciò che rende unica questa nuova osservazione è che riguarda quasi-particelle magnetiche chiamate magnon. Un magnon rappresenta un’eccitazione collettiva degli spin elettronici in un reticolo cristallino.
Una coppia di magnon che si comporta come un’unica entità
I ricercatori hanno dimostrato che nel materiale Na₂BaNi(PO₄)₂, i magnon possono accoppiarsi in uno stato legato e condensarsi, in modo simile alle coppie di Cooper nella superconduttività. Ma c’è una differenza fondamentale: in un superconduttore sono i fermioni a formare coppie, mentre in questo caso sono i bosoni, rendendo la fisica sottostante completamente diversa.
Perché questo materiale è così speciale
Il cristallo Na₂BaNi(PO₄)₂ ha una struttura a rete triangolare, un sistema detto frustrato, in cui le interazioni magnetiche sono in competizione tra loro. In queste reti, gli spin non possono allinearsi in modo semplice, il che genera comportamenti quantistici esotici.
È in questo ambiente che i magnon interagiscono in modo insolito. Applicando un campo magnetico e raffreddando il sistema, i magnoni si raggruppano a coppie ed entrano in una fase condensata, formando una nuova fase quantistica mai osservata prima.
Strumenti di analisi all’avanguardia
Per convalidare questa scoperta sono state utilizzate diverse tecniche avanzate:
- La risonanza di spin elettronico ad alta frequenza, che permette di osservare le eccitazioni magnetiche.
- La diffusione neutronica, un metodo di analisi della struttura e delle interazioni degli spin.
- La risonanza magnetica nucleare (RMN), che rileva le modifiche a livello atomico.
L’insieme di queste tecniche ha permesso di dimostrare che la condensazione di Bose-Einstein degli stati legati dei magnoni si verificava effettivamente in questo materiale.
Un passo verso nuove fasi quantistiche
Questa scoperta apre nuove prospettive per lo studio delle fasi quantistiche esotiche e del modo in cui le particelle possono organizzarsi su scala microscopica. Esplorando queste proprietà, i ricercatori potrebbero scoprire nuovi materiali con comportamenti inaspettati, con potenziali applicazioni nella memorizzazione quantistica delle informazioni o nelle tecnologie spintroniche.
Le reti triangolari rimangono un campo di esplorazione affascinante per i fisici e questo progresso segna un passo avanti verso una migliore comprensione delle interazioni quantistiche emergenti.
