Quando gli atomi si “frustrano”: un nuovo stato quantistico cambia le regole del gioco
Uno stato quantistico mai osservato prima potrebbe aprire scenari inediti per le tecnologie quantistiche del futuro. La scoperta arriva dai laboratori dell’Università della California a Santa Barbara, dove un gruppo di fisici guidato da Stephen Wilson ha individuato un materiale rarissimo in cui due forme diverse di frustrazione atomica convivono e interagiscono tra loro. Sembra una cosa astratta, e in parte lo è, ma le implicazioni sono tutt’altro che teoriche.
Il punto di partenza è un concetto che in fisica ha un nome piuttosto evocativo: la frustrazione magnetica. Per capirla basta immaginare dei minuscoli magneti disposti sui nodi di un reticolo cristallino. In una griglia quadrata, ogni magnete può orientarsi in direzione opposta rispetto ai vicini, raggiungendo uno stato stabile e a bassa energia. Ma quando la geometria diventa triangolare, le cose si complicano. Non tutti i magneti riescono a puntare in direzione opposta rispetto a tutti i vicini contemporaneamente. Il sistema, in pratica, non trova pace. Resta bloccato in una sorta di competizione permanente, ed è proprio questa condizione che i fisici chiamano frustrazione geometrica.
Due frustrazioni, un solo materiale
La vera novità dello studio, pubblicato su Nature Materials, sta nel fatto che il team di Wilson ha trovato un materiale dove alla frustrazione magnetica si aggiunge una seconda forma di frustrazione: quella legata ai legami elettronici. Quando due ioni vicini cercano di condividere un elettrone formando un cosiddetto dimero atomico, possono trovarsi nella stessa situazione di stallo tipica dei magneti su reticolo triangolare. E quando entrambe le frustrazioni coesistono nello stesso cristallo, nasce qualcosa di davvero insolito.
Wilson ha descritto la scoperta come entusiasmante, perché offre la possibilità concreta di controllare un sistema frustrato agendo sull’altro. In parole più semplici: applicando una piccola deformazione meccanica al reticolo, si potrebbe influenzare lo stato magnetico del materiale, e viceversa. Un campo magnetico esterno potrebbe modificare la struttura dei legami. Questa interazione reciproca è il cuore della ricerca.
Verso il controllo dell’entanglement quantistico
Il gruppo di Santa Barbara lavora da anni con materiali costruiti attorno a reti triangolari di lantanidi, elementi che si trovano nella parte bassa della tavola periodica. Questi reticoli, se progettati con cura, possono dare origine a stati magnetici quantistici intrinsecamente disordinati. Alcuni di questi stati potrebbero ospitare un fenomeno cruciale per l’informatica quantistica: l’entanglement a lungo raggio tra spin.
La domanda che Wilson e colleghi si pongono è diretta: si può accedere a quell’entanglement accoppiando il sistema magnetico frustrato con un secondo strato di frustrazione nei legami? Se la risposta fosse sì, significherebbe poter “accendere” o modulare proprietà quantistiche esotiche semplicemente applicando uno stimolo meccanico o un campo magnetico. Niente laser complicatissimi, niente temperature impossibili da raggiungere. Solo due sistemi frustrati che si parlano.
Wilson ha anche ipotizzato che dalla prossimità di questi due reticoli frustrati possano emergere forme diverse di ordine, nucleate proprio dall’interazione tra i due strati. È quella che ha definito “l’idea nel quadro generale”. La scienza di base, per ora. Ma con un occhio molto attento a quello che potrebbe diventare domani. Perché quando si riesce a controllare lo stato quantistico di un materiale attraverso stimoli così semplici, la distanza tra laboratorio e applicazione reale si accorcia parecchio.
