Scoperto un nuovo tipo di magnetismo

L'umanità è entrata in contatto con il magnetismo migliaia di anni fa: Le strane forze emanate dalla magnetite ferromagnetica furono notate dagli studiosi dell'attuale Cina e della Grecia, tra gli altri luoghi. Da allora, i fisici hanno studiato a fondo i meccanismi alla base dei materiali magnetici, ma nel 2020 un team guidato dal fisico dello stato solido Libor Šmejkal dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz ha fatto una scoperta sorprendente: Ha osservato uno strano comportamento degli elettroni che poteva essere spiegato solo da una nuova forma di magnetismo precedentemente sconosciuta. Inizialmente, la questione dell'esistenza di questo "magnetismo alterato" era ancora aperta. Tuttavia, tre gruppi di ricerca hanno dimostrato in modo indipendente in esperimenti di laboratorio che il magnetismo alterato è reale. E non solo: potrebbe rivelarsi estremamente utile in pratica.

Quella che in passato sembrava una forza magica, oggi è pienamente compresa. I magneti sono solidi cristallini costituiti da atomi disposti in reticoli regolari. Questi atomi hanno una sorta di momento angolare intrinseco, uno "spin", che può puntare in direzioni diverse. Se gli spin atomici di un cristallo sono tutti allineati nella stessa direzione, si tratta di un ferromagnete, come la magnetite, già osservata in tempi antichi. In altri materiali, invece, gli spin sono talmente confusi da non seguire alcuna struttura riconoscibile: questi materiali sono considerati non magnetici. Nel 1930, il fisico Louis Néel scoprì una seconda forma di magnetismo nei cosiddetti antiferromagneti. Sebbene non generino un campo magnetico esterno, gli spin al loro interno sono organizzati: Puntano alternativamente in direzioni diverse. Se lo spin di un atomo punta verso nord, gli spin degli atomi vicini puntano verso sud. Ciò significa che i momenti magnetici delle particelle si annullano a vicenda. Gli antiferromagneti sono molto più frequenti in natura rispetto ai ferromagneti.

Una forma di magnetismo a lungo trascurata

Come si è scoperto, anche gli esperti hanno trascurato per decenni una terza forma di magnetismo. "I magneti alterni combinano virtualmente le proprietà dei ferromagneti e degli antiferromagneti", dice il fisico dello stato solido Hans-Joachim Elmers dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz, che ha partecipato all'individuazione dei magneti alterni. Dall'esterno, questi materiali, come gli antiferromagneti, non generano un campo magnetico. Tuttavia, possiedono caratteristiche che in realtà sono riservate ai ferromagneti. Smejkal e il suo team hanno scoperto che i magneti alterati non generano un campo magnetico. Smejkal e il suo team lo hanno scoperto eseguendo il cosiddetto esperimento di Hall, che studia come un campo magnetico influenzi il flusso di corrente attraverso un conduttore. È noto fin dal XIX secolo che questo crea una forza di Lorentz che devia la corrente dal suo percorso. Tuttavia, come ha riconosciuto il fisico Edwin Hall, questa deviazione può essere osservata anche se il conduttore stesso è magnetico, nel qual caso non è necessario un campo magnetico esterno. Questo fenomeno è noto come "effetto Hall anomalo".

Šmejkal e i suoi colleghi hanno osservato l'effetto Hall anomalo nell'ossido di rutenio, una sostanza antiferromagnetica, nel 2020. "Questo è stato molto sorprendente, poiché in precedenza si era ipotizzato che l'effetto Hall fosse compensato da questi momenti magnetici opposti", ha dichiarato Šmejkal in un comunicato stampa del 2020. A quanto pare, non tutti i materiali precedentemente classificati come antiferromagneti sono uguali. Tra questi si nascondono sostanze che apparentemente appartengono a un'altra forma di magnetismo, nota come alter magnetismo.

Negli anni successivi, i ricercatori si sono resi conto che numerosi materiali classificati come antiferromagnetici potevano in realtà essere magnetici per invecchiamento. "Gli esperti si sono resi conto che, mentre i magneti senescenti condividono alcune delle loro proprietà chiave con gli antiferromagneti, hanno ancora di più in comune con i ferromagneti", scrive il fisico Igor Mazin della George Mason University di Fairfax in un articolo pubblicato dall'American Physical Society. Oltre all'effetto Hall anomalo, i vecchi magneti mostrano altre proprietà elettroniche che altrimenti si verificano solo nei ferromagneti. Tuttavia, come nel caso degli antiferromagneti, i loro spin atomici sono allineati nella direzione opposta.

Un'analisi più attenta, tuttavia, rivela un ulteriore ordine che gli antiferromagneti non hanno: Nei magneti alterni, tutti gli elettroni che si muovono nella stessa direzione hanno uno spin ugualmente allineato. "Questo fenomeno di ordinamento non ha nulla a che fare con l'ordine spaziale, cioè la posizione degli elettroni, ma solo con le direzioni delle velocità degli elettroni", dice Elmers. Questa differenza significativa fa sì che i materiali abbiano caratteristiche inaspettate che in realtà sono riservate ai ferromagneti.

La prova sperimentale del magnetismo alterato

I tre gruppi di ricerca sono riusciti a confermare sperimentalmente le previsioni teoriche sull'invecchiamento dei magneti, dimostrando così l'esistenza di una nuova forma di magnetismo. Il gruppo di ricerca guidato da Elmers ha irradiato un sottile strato di biossido di rutenio con la luce dei raggi X presso il sincrotrone elettronico tedesco di Amburgo, che ha eccitato gli elettroni del materiale a tal punto da farli uscire dallo strato e rilevarli. In questo modo è stato possibile determinare sia la velocità che la direzione dello spin delle particelle. I risultati suggeriscono che il biossido di rutenio è un magnete alterno come previsto teoricamente. I ricercatori hanno pubblicato i risultati su "Science Advances" il 31 gennaio 2024.

Un altro team di ricerca guidato da Tomas Jungwirth dell'Università di Nottingham e un gruppo guidato da Chang Liu della Southern University of Science and Technology di Shenzhen hanno studiato il tellururo di manganese e il ditelluride di manganese. Secondo i calcoli teorici, entrambi i materiali dovrebbero essere dei vecchi magneti. Utilizzando la spettroscopia di fotoelettroni risolta dall'angolo, i due gruppi sono riusciti a rilevare chiare proprietà magnetiche legate all'età in entrambi i materiali. Hanno pubblicato i loro risultati il 14 febbraio 2024 nella rivista scientifica "Nature". "I due gruppi hanno utilizzato approcci sperimentali e metodi di analisi diversi e sono riusciti a far luce sulle complesse strutture magnetiche di questi materiali", scrive il fisico Carmine Autieri dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia, che non è stato coinvolto nel lavoro, in un articolo di accompagnamento.

La forma di magnetismo alterato appena scoperta potrebbe consentire un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche. In particolare nel campo della spintronica, dove i segnali vengono trasportati dagli spin delle particelle piuttosto che dalla carica, i magneti alteranti potrebbero essere utili. "I ferromagneti possono indurre campi magnetici parassiti che influiscono sulle prestazioni del materiale, ma questi campi non si verificano con gli antiferromagneti", scrive Autieri. Con gli antiferromagneti, le proprietà ferromagnetiche possono quindi essere sfruttate senza generare campi magnetici di disturbo. Inoltre, i vecchi magneti potrebbero consentire componenti con frequenze di clock più elevate rispetto al passato. "Questi concetti emergenti saranno probabilmente presto parte integrante dei libri di testo di fisica", afferma Autieri.

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