Diagramma di fase e firme spettroscopiche di un supersolido nel magnete di Ising quantistico K2Co(SeO3)2

Il mondo curioso dei solidi che scorrono

Immaginate un materiale che sia al tempo stesso un cristallo rigido e un fluido senza attrito. Questo stato controintuitivo, chiamato “supersolido”, ha affascinato i fisici per decenni ma è rimasto molto difficile da identificare in materiali reali. In questo lavoro, i ricercatori mostrano che un magnete a base di cobalto, K2Co(SeO3)2, si comporta proprio in questo modo esotico. Mappando con cura come i suoi spin — minuscoli magneti atomici — si dispongono e fluttuano a temperature estremamente basse e sotto campi magnetici intensi, rivelano non una ma due fasi supersolide distinte, aprendo una nuova finestra sperimentale accessibile su alcune delle forme più strane della materia quantistica.

Un parco giochi magnetico piatto

La chiave di questa scoperta è la geometria e la frustrazione. In K2Co(SeO3)2, gli ioni di cobalto magnetici si trovano su strati piani e triangolari. Su un tale reticolo, gli spin vicini preferiscono puntare in direzioni opposte, ma tre spin sui vertici di un triangolo non possono soddisfare tutti questa regola contemporaneamente. Questa “frustrazione” porta a un enorme numero di disposizioni quasi equivalenti, come un mazzo di carte mescolate dove molti schemi hanno quasi lo stesso costo energetico. A campo magnetico nullo e a bassa temperatura, esperimenti di scattering neutronico mostrano che gli spin scelgono un motivo ripetuto con una cella unitaria più grande di tre siti, rompendo la regolarità spaziale del cristallo. Allo stesso tempo, gli spin non si congelano completamente: l’entità del momento ordinato è fortemente ridotta, indicando un’intensa dinamica quantistica che mantiene il sistema sospeso tra ordine e disordine.

Quando ordine e flusso coesistono

Per verificare se questo stato irrequieto è un supersolido, il gruppo ha studiato come si muovono gli spin, non solo come sono ordinati. Utilizzando spettroscopia neutronica molto sensibile, hanno trovato che il sistema supporta bande larghe di eccitazioni magnetiche piuttosto che le onde nette attese in un magnete semplice. In un vettore d’onda speciale imposto dal motivo triangolare, hanno osservato due ingredienti chiave insieme: una modalità la cui energia si annulla e un’altra con un piccolo ma finito gap. In termini di simmetria, queste caratteristiche segnalano che il sistema rompe sia una simmetria continua di rotazione degli spin (analoga a un superfluido che può scorrere senza resistenza) sia una simmetria discreta di traslazione (analoga a un cristallo con un modello di densità ripetuto). Insieme, questi sono i due tratti distintivi di un supersolido in questo contesto magnetico.

Una mappa di fase quantistica nel campo magnetico

Applicare un campo magnetico lungo l’asse facile degli spin permette ai ricercatori di modulare l’equilibrio tra disposizioni concorrenti. Misure di capacità termica e magnetizzazione su un’ampia gamma di temperature e campi rivelano un diagramma di fase dettagliato. A campi moderati, gli spin si sistemano in un motivo “su–su–giù” su ogni triangolo, dando luogo a un robusto plateau dove la magnetizzazione si blocca a un terzo del suo valore massimo. Questa transizione di fase si comporta come previsto per un noto modello di Potts bidimensionale, confermando che le interazioni sottostanti sono molto vicine a un caso teorico ideale. A campi più bassi, i dati mostrano che il sistema attraversa in modo continuo il regime supersolido a basso campo, dove lunghezze di correlazione grandi ma finite spezzano efficacemente la simmetria a tre sottoreti anche a campo zero.

Un secondo supersolido vicino alla piena polarizzazione

Le sorprese non finiscono ai campi elevati. Quando la magnetizzazione si avvicina alla saturazione, misure dettagliate di magnetizzazione e entropia rivelano una fase aggiuntiva incastonata tra il plateau a un terzo e lo stato completamente allineato. La teoria per lo stesso modello su reticolo triangolare prevede che in questa finestra di campo il sistema ospiti nuovamente un supersolido: gli spin sono quasi tutti allineati, ma una piccola frazione può ancora muoversi in modo coerente, dando luogo a uno stato misto con sia un motivo rigido sia un flusso quantistico. L’esperimento corrisponde a queste previsioni, inclusa la brusca, prima-ordine attesa all’ingresso di questo supersolido ad alto campo. Analizzando lo spettro delle onde di spin nella fase del plateau, il gruppo individua anche le intensità delle interazioni e mostra che contano in modo significativo solo i vicini più prossimi, rendendo K2Co(SeO3)2 una realizzazione insolitamente pulita del modello ideale.

Perché questo è importante per i materiali quantistici

Per il non specialista, il messaggio chiave è che K2Co(SeO3)2 funziona come un laboratorio per materia che si comporta in modi apparentemente contraddittori: solida e superfluida allo stesso tempo. In questo magnete, le posizioni degli spin formano un motivo ripetuto come gli atomi in un cristallo, mentre il loro moto quantistico resta delocalizzato e coerente, come in un fluido. La combinazione produce fasi supersolide che non sono solo curiosità teoriche ma sono ora mappate in dettaglio e sondabili con potenti strumenti spettroscopici. Poiché le scale energetiche rilevanti sono molto più alte rispetto ai candidati precedenti, questo materiale permette misure precise e test netti della teoria, rendendolo un sistema di riferimento per comprendere come le fluttuazioni quantistiche possano plasmare stati della materia completamente nuovi.

Citazione: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

Parole chiave: supersolido, magnetismo frustrato, reticolo triangolare, sistema di spin quantistici, diffrazione neutronica