La sorgente di neutroni BER II, che ha servito la scienza fino alla fine del 2019 prima di essere dismessa, è stata il luogo ideale per condurre questi esperimenti. I risultati ottenuti sono ancora in fase di pubblicazione, nonostante la chiusura dell’impianto. La dottoressa Ellen Fogh, a capo di un team presso il Laboratorio di Magnetismo Quantico dell’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), ha collaborato con colleghi provenienti da Giappone, Qatar e Svizzera per ottenere nuove intuizioni sui materiali quantici.
La valutazione dei dati raccolti ha richiesto molto tempo, poiché i dati di diffusione di neutroni non forniscono automaticamente un’immagine chiara, ma devono essere interpretati. Questo processo richiede modelli teorici convincenti. Fogh e il suo team hanno analizzato campioni di SrCu2(BO3)2, un sistema modello per la frustrazione ideale in un sistema di spin bidimensionale (2D). Questa geometria “idealmente frustrata” porta a molti effetti non convenzionali, descritti in termini di stati quantici intrecciati e delle loro eccitazioni (magnoni).
L’obiettivo della ricerca era scoprire se la condensazione di Bose-Einstein (BEC) dei magnoni si verifica anche nel sistema modello a campi magnetici elevati, o se esiste un meccanismo alternativo. Gli esperimenti di diffusione di neutroni presso il Magnete ad Alto Campo di BER II hanno permesso di misurare le eccitazioni di spin di SrCu2(BO3)2 fino a 25,9 Tesla e di riprodurre gli spettri sperimentali con alta precisione utilizzando modelli teorici. Gli esperimenti sono stati condotti a pressione ambiente e a temperature vicine allo zero assoluto, a 200 millikelvin.
L’analisi e l’interpretazione dei dati di misurazione mostrano che una fase spin-nematica si forma sotto questi campi magnetici estremamente elevati. Al posto dei singoli magnoni, sono coppie di magnoni legati a condensare in questa fase. Esiste persino un’analogia con la superconduttività, suggerendo che la fase spin-nematica in SrCu2(BO3)2 è meglio compresa come un condensato di coppie di Cooper bosoniche.
I risultati dimostrano che gli esperimenti di diffusione di neutroni in campi magnetici estremamente elevati possono essere utilizzati per esplorare regioni precedentemente sconosciute della materia, in particolare le fasi correlate dei sistemi a molti corpi. “In condizioni di forte frustrazione e estremi controllati, possono ancora essere trovati molti nuovi stati e ordini”, conclude Fogh. Questa scoperta apre la strada a ulteriori ricerche e potrebbe portare a nuove applicazioni nel campo dei materiali quantici e della tecnologia avanzata.