Un simulatore quantistico per materiali magnetici

La fisica capisce in ogni dettaglio perché una calamita da frigorifero si attacca a certe superfici metalliche. Tuttavia, i materiali magnetici esistono anche in varianti esotiche le cui proprietà sono ancora in gran parte sconosciute nonostante decenni di ricerca. Tilman Esslinger e il suo gruppo dell'Istituto di Ottica ed Elettronica Quantistica hanno ora compiuto un passo significativo per colmare queste lacune. Il team combina fasci laser e atomi in modo tale da creare strutture che si comportano esattamente come i materiali magnetici. Questo metodo promette di fornire intuizioni fondamentali sui materiali magnetici, che vanno al di là di quanto è attualmente possibile fare con metodi teorici e computerizzati. Il lavoro potrebbe anche aiutare i ricercatori a trovare nuovi materiali con proprietà interessanti per tecnologie e applicazioni future.

Il concerto dei piccoli magneti

I materiali magnetici devono le loro proprietà alla complessa interazione di un gran numero di piccoli magneti, che di solito hanno la forma di singoli elettroni. Il magnetismo osservabile si verifica quando questi mattoni magnetici sono disposti in schemi specifici in cui sono tenuti in posizione da interazioni meccaniche quantistiche. Un tipico magnete da frigorifero, ad esempio, è costituito da diversi segmenti ferromagnetici e in ogni segmento tutti i magneti elementari sono allineati parallelamente l'uno all'altro, dando luogo al comportamento magnetico.

In altri materiali magnetici la situazione è meno chiara, poiché i blocchi magnetici sono disposti in schemi più complicati. Un esempio sono i cosiddetti liquidi di spin quantistico, in cui i magneti elementari interagiscono in un modo che impedisce loro di trovarsi in uno stato ordinato. La fisica e gli scienziati dei materiali sono interessati a questi magneti non convenzionali perché incarnano problemi fondamentali della fisica quantistica a molti corpi, ma anche perché questi materiali hanno proprietà che potrebbero costituire la base per futuri supporti di memorizzazione magnetica o per nuove forme di elaborazione delle informazioni.

Simulare sistemi quantistici con sistemi quantistici

A differenza dei magneti da frigorifero, il comportamento dei liquidi di spin quantistici e di altri stati magnetici esotici può essere previsto solo in misura molto limitata. Si tratta di un problema ostinato, poiché occorre tenere conto dell'interazione tra centinaia di magneti elementari. La complessità di questo problema spiega anche perché molti materiali magnetici, ma anche molti sistemi modello idealizzati, sono oggi compresi solo in modo incompleto. La mancanza di comprensione ostacola i progressi nell'utilizzo e nell'ulteriore sviluppo di questi materiali.

Poiché i metodi convenzionali sono spesso inadeguati per questi sistemi complicati, Esslinger e i suoi collaboratori stanno seguendo un approccio completamente diverso. Creano materiali artificiali che replicano il materiale che vogliono studiare in origine. In altre parole, per studiare il materiale reale, gli scienziati effettuano le loro misurazioni su una controparte creata artificialmente, più facile da maneggiare e in cui è possibile modificare parametri importanti (come la forza dell'interazione tra i magneti elementari).

Esslinger e il suo team creano i loro materiali artificiali utilizzando atomi che si comportano essenzialmente come elettroni. Li inseriscono quindi in un "cristallo" creato sovrapponendo diversi raggi laser. Sia i raggi laser che gli atomi intrappolati possono essere controllati con grande precisione. "In questo modo, possiamo simulare il comportamento quantomeccanico di vari materiali magnetici", spiega Esslinger.

Dal modello all'applicazione

L'esplorazione delle proprietà di un sistema meccanico quantistico con l'aiuto di un altro, più facile da controllare, è nota come simulazione quantistica. Negli ultimi anni, i fisici di diversi gruppi di ricerca hanno lavorato intensamente allo sviluppo di un simulatore quantistico per i materiali magnetici: questa applicazione specifica è considerata uno degli obiettivi più importanti in questo campo. Esslinger e il suo team sono riusciti per la prima volta a mettere a punto un esperimento in cui viene riprodotto direttamente il comportamento di un gran numero di elettroni in un materiale magnetico. "La chiave del nostro successo è un metodo che ci permette di raggiungere le temperature estremamente basse necessarie per esplorare il magnetismo quantistico", spiega Daniel Greif, dottorando del gruppo di Esslinger e primo autore dello studio. Il nuovo metodo ha permesso alla fisica di creare un sistema magnetico con 5.000 atomi. Insieme al gruppo di lavoro di Matthias Troyer, professore dell'Istituto di fisica teorica, stanno attualmente studiando se il comportamento di questo sistema possa essere riprodotto su un computer convenzionale.

I simulatori quantistici consentono di simulare vari scenari di interazione tra gli elettroni in un materiale magnetico. I risultati di queste simulazioni possono essere confrontati con il comportamento dei materiali magnetici naturali. Tuttavia, c'è anche la prospettiva di scoprire stati magnetici che non sono ancora stati osservati nei materiali naturali. Questo potrebbe a sua volta portare a nuove applicazioni, dice Esslinger: "La forza trainante delle nuove tecnologie è spesso lo sviluppo di nuovi materiali, come i superconduttori ad alta temperatura, il grafene o persino nuovi materiali magnetici".