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Disorder Induced Quantum Griffiths Phase in the Proximate Kitaev Quantum Spin Liquid Na2Co2TeO6

Utilizzando la NMR del 23Na e calcoli ab initio, questo studio dimostra che il disordine intrinseco in Na2Co2TeO6 induce una transizione verso una fase di Griffiths quantistica caratterizzata dalla coesistenza di eccitazioni di spin con gap e quasi prive di gap, sfidando la visione convenzionale secondo cui il disordine destabilizza esclusivamente i liquidi di spin di Kitaev quantistici.

Autori originali: Wassilios Papawassiliou, Nicolas Lazardis, Eunice Mumba Mpanga, Jonas Koppe, Nikolaos Panopoulos, Lydia Gkoura, Romain Berthelot, Michael Fardis, Gaël De Paëpe, Andrew Pell, Georgios Papavassiliou

Pubblicato 2026-08-12

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CC BY 4.0

Autori originali: Wassilios Papawassiliou, Nicolas Lazardis, Eunice Mumba Mpanga, Jonas Koppe, Nikolaos Panopoulos, Lydia Gkoura, Romain Berthelot, Michael Fardis, Gaël De Paëpe, Andrew Pell, Georgios Papavassiliou

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immaginate il mondo degli atomi come una gigantesca e frenetica pista da ballo. Nella maggior parte dei materiali, i ballerini (che sono minuscole particelle magnetiche chiamate "spin") alla fine si stancano di ballare in modo casuale e decidono di mettersi in fila in file perfette e rigide, tutti rivolti nella stessa direzione. Questo è ciò che chiamiamo un magnete, come quello sul vostro frigorifero. Ma in un angolo speciale ed esotico della fisica chiamato "materia quantistica", le regole sono diverse. Qui, i ballerini si rifiutano di mettersi in fila. Inveve, rimangono in uno stato di movimento costante e frenetico, anche quando la temperatura scende vicino allo zero assoluto. Gli scienziati chiamano questo stato un "Liquido di Spin Quantistico".

Perché questo è importante? Perché in questo stato liquido, i ballerini non si limitano a muoversi; si dividono. Un singolo ballerino può spezzarsi in due o tre pezzi che fluttuano indipendentemente, trasportando solo una frazione dell'energia originale. È come se una singola persona a una festa potesse improvvisamente dividersi in un fantasma e un'ombra, entrambi che ballano da soli. Questa "frammentazione" è il santo graal per la costruzione dei futuri supercomputer, ma è incredibilmente fragile. Di solito, se si introduce un po' di disordine o "disordine" nella struttura del cristallo — come un ballerino che inciampa in una scarpa — si rovina l'intero stato liquido e costringe gli spin a mettersi in fila comunque.

Tuttavia, un nuovo studio suggerisce che a volte, un po' di disordine non distrugge la festa; crea invece un tipo di danza completamente nuovo. I ricercatori hanno esaminato un materiale specifico, un cristallo chiamato Na2Co2TeO6, che è naturalmente un po' disordinato all'interno. Hanno scoperto che questo disordine non uccide il liquido quantistico; al contrario, crea un mondo strano e a mosaico dove alcune parti sono congelate e con un gap energetico, mentre altre sono selvagge e senza gap, convivendo tutte insieme in una "fase di Griffiths".

Il Documento: Fase di Griffiths Quantistica Indotta dal Disordine nel Prossimo Liquido di Spin Quantistico Kitaev Na2Co2TeO6

Gli scienziati dietro questo studio hanno deciso di investigare un materiale chiamato Na2Co2TeO6 (chiamiamolo NCTO per brevità). Questo materiale è famoso perché i suoi atomi sono disposti in un modello a nido d'ape, simile a un alveare, che è il palcoscenico perfetto per un "Liquido di Spin Quantistico di Kitaev". In questo scenario ideale, gli spin dovrebbero frammentarsi in minuscole particelle fantasmatiche chiamate fermioni di Majorana. Ma c'è un problema: i cristalli reali non sono mai perfetti. Il NCTO ha un difetto naturale in cui alcuni atomi di sodio mancano o si trovano in posizioni errate. Questo è il "disordine".

Di solito, gli scienziati pensano che il disordine sia il nemico. Si aspettano che, se si rovina il modello a nido d'ape, il delicato liquido quantistico collassi e gli spin si congelino semplicemente in un ordine magnetico standard. Ma gli autori di questo articolo si sono posti una domanda diversa: E se il disordine creasse in realtà qualcosa di nuovo?

Per scoprirlo, hanno utilizzato una tecnica chiamata NMR (Risonanza Magnetica Nucleare). Pensate all'NMR come a uno stetoscopio super sensibile che ascolta il battito cardiaco degli atomi all'interno del cristallo. Raffreddando il materiale dalla temperatura ambiente fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto, hanno osservato come reagivano gli spin.

Ciò che hanno scoperto è una storia di due mondi.

Quando il materiale era caldo (tra 100 K e 10 K), gli spin si comportavano esattamente come previsto per un liquido di spin quantistico. Erano frammentati e c'era un chiaro "gap di energia", il che significa che gli spin avevano bisogno di una certa quantità di energia per eccitarsi. Era come un oceano calmo e con un gap, dove le onde si formano solo se si lancia una pietra abbastanza grande.

Ma poi, qualcosa di strano è accaduto raffreddandolo sotto i 10 K. Il singolo oceano calmo si è diviso in due canali distinti.

La Corsia Lenta: Un gruppo di spin ha continuato a comportarsi come l'oceano calmo e con un gap. Avevano ancora bisogno di energia per muoversi, preservando la natura "frammentata" del liquido quantistico.
La Corsia Veloce: L'altro gruppo di spin è diventato improvvisamente selvaggio. Ha iniziato a comportarsi come un fluido "senza gap", dove anche il minimo stimolo poteva farli muovere. Il loro comportamento seguiva una regola chiamata "legge di Korringa", che si osserva solitamente nei metalli, non in questi esotici liquidi quantistici.

Questa scissione è la prova schiacciante di ciò che gli autori chiamano una Fase di Griffiths Quantistica. Immaginate una città in cui alcuni quartieri sono congelati (la corsia lenta), mentre proprio accanto, altri quartieri sono in un rave caotico e ad alta energia (la corsia veloce). Il disordine nel cristallo — gli atomi di sodio mancanti — agisce come un architetto caotico. Distorce i legami tra gli atomi, creando un mosaico. Alcune aree diventano "ricche di visoni" (piene di difetti di flusso magnetico) e senza gap, mentre altre rimangono "povere di visoni" e con un gap.

Il documento esclude esplicitamente l'idea che il materiale si sia semplicemente congelato in un ordine magnetico standard, come un modello a zigzag, a basse temperature. Se avesse fatto ciò, i segnali NMR avrebbero avuto forme molto diverse e prevedibili. Inveve, i segnali erano ampi e disordinati, il che può spiegare solo uno stato quantistico complesso e disordinato. Hanno anche escluso l'idea che si trattasse semplicemente di un "vetro di spin" (un caos casuale e congelato), perché il modo in cui gli spin si rilassavano non corrispondeva ai modelli di un vetro.

I ricercatori hanno utilizzato potenti simulazioni informatiche (calcoli DFT) per supportare le loro scoperte. Hanno costruito un modello virtuale del cristallo con gli atomi mancanti e hanno lasciato che il computer rilassasse la struttura. La simulazione ha mostrato che gli atomi mancanti hanno naturalmente torcitato i legami tra gli atomi di cobalto di circa il 3%, il che è sufficiente per sconvolgere le forze magnetiche di circa il 30%. Ciò ha confermato che il disordine era effettivamente abbastanza forte da creare il mosaico di regioni con e senza gap.

Inoltre, hanno scoperto fluttuazioni di spin "ultra-lente". Mentre la corsia veloce era caotica, c'erano anche spin che si muovevano incredibilmente lentamente, impiegando microsecondi per invertire la propria direzione. Questi movimenti lenti seguivano una "legge di attivazione di Arrhenius", il che significa che stavano cercando di scalare una piccola collina di energia di circa 4,9 K. Questo è un segno distintivo di una fase di Griffiths, dove regioni rare e speciali del materiale si comportano diversamente dal resto.

In breve, il documento suggerisce che in Na2Co2TeO6, il disordine non è un errore; è una caratteristica. Inve al posto di distruggere il liquido di spin quantistico, le imperfezioni naturali del cristallo ne rimodellano la forma in una "fase di Griffiths". Si tratta di uno stato in cui il materiale è un mix dinamico di isole con gap e mari senza gap, che coesistono tutti insieme. Gli autori concludono che questo stato guidato dal disordine è una forma robusta ed emergente di materia frammentata, dimostrando che anche in un cristallo disordinato, la strana e bellissima fisica del mondo quantistico non solo sopravvive, ma prospera in una nuova forma eterogenea.

Sintesi Tecnica: Fase di Griffiths Quantistica Indotta dal Disordine nel Liquido di Spin Quantistico Prossimo Kitaev Na $_2$ Co $_2$ TeO $_6$

Problematica
L'identificazione dei liquidi di spin quantistici (QSL) di tipo Kitaev nei materiali reali è complicata dalle inevitabili imperfezioni reticolari, dall'ordine magnetico e dalle perturbazioni casuali dei legami. Sebbene materiali come $\alpha$ -RuCl $_3$ e $\alpha$ -(Na,Li) $_2$ IrO $_3$ abbiano stabilito la fenomenologia del magnetismo prossimo a Kitaev, i loro stati fondamentali sono tipicamente dominati da un ordine magnetico a lungo raggio (ad esempio, antiferromagnetismo zigzag) piuttosto che da un puro QSL. Una questione aperta critica è se il disordine, tradizionalmente visto come una forza destabilizzante, possa invece generare forme qualitativamente nuove di materia frazionata. Na $_2$ Co $_2$ TeO $_6$ (NCTO) presenta un caso unico: è un magnete a nido d'ape di metallo di transizione 3d vicino al limite di Kitaev, ma possiede un sostanziale disordine intrinseco di occupazione dei siti Na. La sfida è determinare se questo disordine si limiti a perturbare il sistema o se organizzi attivamente il settore a bassa energia in un regime frazionato distinto.

Metodologia
Gli autori hanno impiegato un approccio multifasettico combinando la risonanza magnetica nucleare (NMR) sperimentale con la modellazione ab initio:

NMR Sperimentale: Sono state condotte estese misure NMR allo stato solido del $^{23}$ $^{23}$ Na su NCTO policristallino in un intervallo di temperatura da 3 a 300 K in campi magnetici di 4,7 T e 9,4 T. Le tecniche includono:
- Analisi della forma della linea con Magic-Angle-Spinning (MAS) e statica per sondare le configurazioni di spin statiche.
- Misure di rilassamento spin-reticolo ( $T_1$ ) e spin-spin ( $T_2$ ) per caratterizzare la dinamica di spin.
- Spettroscopia di correlazione $T_1$ - $T_2$ e sequenze di impulsi q-CPMG per risolvere canali di rilassamento eterogenei e fluttuazioni ultraslow.
Calcoli Ab Initio: La teoria del funzionale della densità (DFT) è stata utilizzata per rilassare una supercella 2 $\times$ 2 $\times$ 2 di NCTO incorporando occupazioni casuali dei siti Na derivate dai dati NMR. Ciò ha permesso il calcolo delle distribuzioni nelle lunghezhe di legame Co-O e negli angoli Co-O-Co.
Simulazione Spettrale: Sono stati simulati i pattern di polvere NMR ab initio per tre stati fondamentali candidati (AFM zigzag, AFM triple- $q$ e uno stato simile a un QSL) per confrontarli con gli spettri sperimentali a bassa temperatura.

Risultati Chiave

Casualità dei Legami Indotta dal Disordine: Il rilassamento DFT della supercella disordinata ha rivelato che l'occupazione casuale di Na induce variazioni spaziali significative negli angoli e nelle lunghezze di legame Co-O-Co (~3–4% di variazione). Utilizzando un modello fenomenologico, queste distorsioni strutturali si traducono in fluttuazioni di circa il 30% nelle costanti di accoppiamento di scambio di Kitaev ( $K$ ), creando effettivamente un sistema di Kitaev a legami casuali.
Stato Fondamentale di Tipo QSL: A basse temperature (3 K) e campi elevati (9,4 T), le forme di linea NMR del $^{23}$ Na sperimentali sono larghe, a picco singolo e gaussiane. Le simulazioni ab initio dimostrano che solo un modello QSL riproduce questa forma spettrale e la sua ampiezza (~40.000 ppm). Al contrario, i modelli AFM zigzag e triple- $q$ producono strutture a bordo o caratteristiche a plateau distinti non osservati sperimentalmente, escludendo un semplice stato ordinato statico in queste condizioni.
Biforcazione dei Canali di Rilassamento: Il tasso di rilassamento spin-reticolo ( $1/T_1$ $1/ T_{1}$ ) mostra una dipendenza dalla temperatura distinta:
- 100 K – 10 K: $1/T_1$ segue un profilo concavo coerente con eccitazioni di spin frazionate con gap (fermioni di Majorana), che si adatta a una legge attivata con un gap $\Delta \approx 35$ K.
- Sotto i 10 K: Il rilassamento si biforca in due canali distinti. Un componente a rilassamento lento preserva il comportamento attivato con gap. Un componente a rilassamento veloce emerge, obbedendo a una legge di tipo Korringa ( $1/T_1 T \approx \text{cost}$ ), indicativa di eccitazioni di spin quasi prive di gap, simili a quelle di un liquido di Fermi.
Dinamica Ultraslow: Sotto i 10 K, le distribuzioni di $T_2$ si allargano e si scindono, rivelando fluttuazioni di spin ultraslow sulla scala dei microsecondi. Queste fluttuazioni seguono una legge di attivazione di Arrhenius con una barriera energetica $U/k_B \approx 4,9$ K.
Indipendenza dal Campo: Il comportamento di rilassamento a doppio canale persiste a 4,7 T (dove avviene una transizione PM-AFM a $T_N \approx 27$ K), suggerendo che la dinamica di tipo Griffiths domina il settore a bassa energia anche in presenza di patch di ordine magnetico.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo afferma che NCTO realizza una Fase di Griffiths Quantistica guidata dal disordine. Piuttosto che distruggere lo stato di Kitaev, il disordine intrinseco dei siti Na agisce come un principio organizzatore che rimodella la densità di stati a bassa energia. Gli autori propongono un quadro a "mosaico" in cui il sistema consiste in:

Isole povere di visoni: Regioni che mantengono eccitazioni frazionate con gap (rilassamento lento).
Regioni ricche di visoni: Regioni rare dove il disordine chiude il gap dei flussi, generando un continuum di stati quasi privi di gap a bassa energia (rilassamento veloce, di tipo Korringa).

Questo lavoro fornisce una prova sperimentale diretta del fatto che il disordine può generare una fase frazionata di tipo Griffiths, dinamicamente eterogenea. Suggerisce che la coesistenza di eccitazioni frazionate con e senza gap nello spazio reale è una caratteristica robusta dei sistemi di Kitaev disordinati, offrendo una nuova prospettiva sulla stabilità e la natura dei liquidi di spin quantistici in presenza di casualità strutturale. I risultati sono in linea con le previsioni teoriche per i modelli di Kitaev con disordine di legame, dove il disordine sostituisce i gap netti con continui a legge di potenza, stabilizzando una fase di Griffiths che sopravvive fino alle temperature più basse.

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