La "frustrazione geometrica" può far sì che gli elettroni nei materiali con atomi disposti in uno schema triangolare si organizzino in tre modi concorrenti contemporaneamente, rivela un nuovo studio computazionale condotto da ricercatori del Flatiron Institute. I materiali che sembrano mosaici di tessere triangolari a livello atomico a volte hanno proprietà paradossali e i fisici quantistici hanno finalmente scoperto perché.
Utilizzando una combinazione di tecniche computazionali all'avanguardia, gli scienziati hanno scoperto che in condizioni speciali, questi materiali a forma triangolare possono finire in un miscuglio di tre diverse fasi contemporaneamente. Le fasi di competizione si sovrappongono, lottando per il predominio. Di conseguenza, il materiale diventa controintuitivamente più ordinato quando riscaldato, come hanno spiegato gli scienziati in Physical Review X.
"Questo è un territorio inesplorato", ha affermato l'autore principale dello studio Alexander Wietek, ricercatore presso il Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute di New York City. "Gli scienziati sperimentali avevano visto queste proprietà peculiari, ma non sapevano cosa stessero facendo i singoli elettroni nei materiali. Il nostro ruolo di teorici è quello di capire cosa sta realmente accadendo".
I risultati potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare materiali per l'elettronica futura, ha spiegato Wietek. Questo perché le proprietà dispari sono indicative di uno stato elusivo della materia ricercato per un potenziale uso nel calcolo quantistico che corregge gli errori. I co-autori di Wietek sul nuovo documento includono il ricercatore CCQ Riccardo Rossi, il ricercatore CCQ Miles Stoudenmire e il direttore CCQ Antoine Georges.
I ricercatori hanno studiato come si comportano gli elettroni nei materiali. Gli elettroni determinano quasi tutte le proprietà di un materiale, dal magnetismo alla conduttività e persino al colore. Afferrare il comportamento collettivo degli elettroni è un compito monumentale. Quando due particelle interagiscono, diventano impigliate quantisticamente l'una con l'altra. Anche una volta separati, i loro destini rimangono intrecciati e non possono essere trattati separatamente.
Il comportamento degli elettroni in un materiale dipende dalla disposizione degli atomi e la disposizione del reticolo triangolare è affascinante. Questo perché gli elettroni hanno uno spin, che può puntare verso l'alto o verso il basso. Un elettrone potrebbe, ad esempio, voler avere una direzione di spin diversa rispetto ai suoi vicini. Ma in un triangolo con tre atomi e solo due direzioni di rotazione, questo non è possibile ha spiegato Wietek. "Questo fa sì che il sistema fluttui perché non sa cosa fare". I fisici quantistici chiamano questa circostanza "frustrazione geometrica".
Gli sperimentatori avevano precedentemente osservato un comportamento inaspettato in materiali con reticoli triangolari, come negli strati contorti di diseleniuro di tungsteno o nitruro di boro. Wietek e i suoi colleghi hanno studiato il fenomeno con un semplice modello composto da una griglia di triangoli, con ogni punto di connessione che funge da sito che gli elettroni possono abitare. Ogni sito può ospitare fino a due elettroni purché abbiano spin opposti. Nel modello, c'erano tanti elettroni quanti siti.
Nonostante l'apparente semplicità del modello, calcolare il comportamento collettivo degli elettroni era scoraggiante. I ricercatori hanno quindi combinato tre diversi metodi computazionali, ognuno dei quali ha portato punti di forza unici al problema. L'uso di così tanti approcci per affrontare un problema è un recente cambiamento culturale nel campo che consente ai fisici di affrontare problemi più spinosi, ha affermato Wietek.
I ricercatori potrebbero modificare le condizioni nel loro modello aumentando la temperatura o cambiando la forza di interazione tra gli elettroni. Temperature più elevate forniscono agli elettroni più energia, di solito facendoli fluttuare più freneticamente. Una forza di interazione più forte si traduce in elettroni che si depositano in un singolo sito, un fenomeno chiamato localizzazione.
I ricercatori hanno eseguito i loro calcoli con diverse temperature e punti di forza di interazione. Hanno osservato che il modello è passato da una fase metallica a una fase isolante. La fase isolante è stata particolarmente intrigante. Tipicamente, l'aumento della temperatura fa sì che gli elettroni fluttuino liberamente e agiscano con maggiore disordine. Ma nel caso del reticolo triangolare, gli elettroni preferivano localizzarsi e diventare più ordinati man mano che il termostato sale.
Osservando ciò che gli elettroni stavano facendo, i ricercatori hanno scoperto la causa di questo effetto paradossale: gli elettroni stavano tentando di organizzarsi simultaneamente in tre modi concorrenti. Con l'aumentare della temperatura del materiale, questo effetto si è rotto e il materiale è diventato più ordinato.
Nel primo dei tre ordinamenti tentati, gli elettroni hanno cercato di creare colonne alternate di elettroni che puntavano verso l'alto o verso il basso. Nel secondo ordine, gli elettroni si sono inclinati. Mentre lo spin di un elettrone può puntare verso l'alto o verso il basso, può inclinarsi ad angolo. In questo caso, i tre elettroni in ciascuno dei triangoli del reticolo si orientano in modo che i loro angoli siano distribuiti, con ogni angolo separato da 120 gradi.
Il terzo ordine è stato il più eccitante. Gli elettroni si allineavano in modo tale che i loro angoli di rotazione avessero un modello di torsione destrorso o mancino in tre dimensioni, con gli spin costantemente fluttuanti. Questa configurazione potrebbe indicare che il sistema stava formando uno stato della materia chiamato liquido di spin chirale. Tale fase è desiderata per l'uso nei computer quantistici per evitare errori.
Tuttavia, il modello dei ricercatori non ha rivelato tutti i segreti dei materiali reticolari triangolari. Ad esempio, alcuni di questi materiali mostrano superconduttività, in cui gli elettroni fluiscono liberamente senza perdere energia. Successivamente hanno in programma di ripetere il loro modello con diverse quantità di elettroni per vedere se la superconduttività si attiva. "Questo è un momento davvero eccitante", ha affermato Wietek. "negli ultimi cinque anni questi metodi sono diventati abbastanza potenti da affrontare questi problemi che nei decenni precedenti erano stati considerati troppo complessi".