I fisici americani della Yale University e del Los Alamos National Laboratory hanno scoperto una speciale lega metallica, le cui proprietà assomigliano ai superfluidi. Questa sostanza è una specie di spin ice, all'interno del quale compaiono analoghi dei vortici quantistici. L'articolo degli scienziati è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.
Lo spin ice è una sostanza in cui l'orientamento dei momenti magnetici degli ioni carichi assomiglia alla disposizione degli atomi di idrogeno (protoni) nel ghiaccio d'acqua. Quando l'acqua si congela, gli atomi all'interno della cellula tetraedrica del cristallo sono disposti in modo tale che l'atomo di ossigeno di una molecola d'acqua sia circondato da quattro protoni. In questo caso, due protoni sono più lontani degli altri, perché appartengono ad altre due molecole d'acqua. Allo stesso modo, nello spin ice, i momenti magnetici di due ioni sono diretti verso l'interno del tetraedro e gli altri due verso l'esterno. In sostanza, lo spin ice è costituito da minuscoli nanomagneti.
I fisici hanno studiato un tipo di spin ice formato dal reticolo Shakti. Consente molte di queste configurazioni di momenti magnetici in cui l'energia di interazione nelle cellule è ridotta al minimo. Tuttavia, alcune delle configurazioni sono in uno stato eccitato e la loro comparsa nello spin ice è inevitabile. Di conseguenza, si verifica una frustrazione geometrica, un fenomeno in cui l'intero sistema non può essere completamente congelato (anche allo zero assoluto), poiché non ha un singolo stato di base. Questo comportamento è tipico di tutti gli spin ices.
Durante lo studio, gli scienziati hanno eseguito la microscopia elettronica a fotoemissione del ghiaccio di spin (PEEM) realizzata in permalloy, una lega di ferro e nichel (Ni81Fe19). L'irradiazione del campione con i raggi X ha permesso di registrare i cambiamenti nei momenti magnetici che si verificano con la diminuzione della temperatura. Il campione di spin ice è stato prima raffreddato da 290 Kelvin (K) a 220 K, quindi a 180 K e inferiore (1 K corrisponde a -272,15 gradi Celsius).
Sebbene altri tipi di spin ice ricostruiscano i loro reticoli con una temperatura decrescente per raggiungere lo stato energetico più basso possibile, si è scoperto che il reticolo Shakti "si blocca" a un certo livello. Ciò accade anche se una ristrutturazione su larga scala del sistema potrebbe ridurre al minimo l'energia. Secondo le conclusioni dei fisici, ciò indica che questo spin ice ha un ordine topologico globale e le eccitazioni sono topologicamente protette dalla dispersione e persistono a lungo.
Le fasi topologicamente ordinate sono state precedentemente descritte per sistemi di meccanica quantistica che possono assumere stati diversi con la stessa energia (stati degeneri). In altre parole, le eccitazioni stabili nel reticolo Shakti in un certo senso assomigliano ai vortici quantistici nei superfluidi, che sono anche protetti topologicamente a causa della degenerazione degli stati fondamentali.
