Un simulatore quantistico per i materiali magnetici

 Sappiamo spiegare perché un magnete si attacca a certe superfici metalliche. Ma ci sono forme più esotiche di magnetismo le cui proprietà restano ancora in parte sconosciute, nonostante decenni di intense ricerche. Un passo importante per colmare queste lacune proviene dalle ricerche di un gruppo di fisici, coordinati da Tilman Esslinger. Il team ha sviluppato un nuovo tipo di dispositivo che utilizza i raggi laser e gli atomi per emulare il comportamento dei materiali magnetici. Il loro approccio promette di acquisire nuove conoscenze attualmente impossibili i con metodi teorici e computazionali che abbiamo a disposizione. L’articolo è stato pubblicato su Science.

I magneti tradizionali devono le loro proprietà alla complessa interazione tra una miriade di piccoli magneti che si presentano sotto forma di elettroni, ciascuno dei quali è debolmente magnetico. Il magnetismo si verifica quando questi blocchi magnetici sono disposti in specifiche configurazioni – ad esempio, un allineamento parallelo – in cui hanno luogo interazioni quantistiche. Ogni comportamento magnetico noto segue una precisa topologia. 

Immagine di un ferromagnete in un guscio di lattice (credit: Thomas Uehlinger, ETH Zürich).

Ma lo schema non è così lineare per tutti i materiali. Molti magneti hanno una configurazione topologica molto più complessa. Un caso particolare è rappresentato dalle interazioni di spin quantistici nei liquidi, in cui i magneti elementari interagiscono in un modo che gli impedisce di raggiungere uno stato ordinato come quello riscontrabile in un ferromagnete ordinario. Questi magneti insoliti sono interessanti non solo sul piano teorico, in quanto possono aiutarci a comprendere meglio il dominio quantistico, ma soprattutto sul piano pratico, per costruire dispositivi di nuova generazione capaci di archiviare i dati. 

I materiali artificiali. Studiare lo spin quantistico in queste condizioni è un compito arduo. Per questo gli autori della presente ricerca hanno pensato di adottare un trucco: costruire materiali artificiali che “replicano” il comportamento del materiale oggetto di studio. Le misure vengono così effettuate sulla controparte artificiale del materiale reale, che risulta più facile da maneggiare e dove parametri importanti (la forza di interazione tra i magneti elementari, per esempio) possono essere modificati più facilmente. Gli atomi vengono fatti interagire all’interno di un cristallo che interferisce con i raggi laser e permette un migliore controllo degli stati quantistici.

La simulazione quantistica è un ambito di ricerca molto fecondo. Fino ad ora è stato possibile creare un sistema magnetico contenente 5.000 atomi e “monitorare” il comportamento di un gran numero di elettroni nei materiali magnetici.