Magnetismo a spirale esotico in un cristallo

Una forma esotica di magnetismo è stata scoperta e collegata a un tipo altrettanto esotico di elettroni, sostengono gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) che hanno analizzato un nuovo cristallo

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Una forma esotica di magnetismo è stata scoperta e collegata a un tipo altrettanto esotico di elettroni, sostengono gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) che hanno analizzato un nuovo cristallo. Il magnetismo è creato e protetto dalla struttura elettronica unica del cristallo, offrendo un meccanismo che potrebbe essere sfruttato per dispositivi di memorizzazione delle informazioni veloci e robusti.

Il materiale appena inventato ha una struttura insolita che conduce elettricità ma fa sì che gli elettroni in movimento si comportino come particelle prive di massa, il cui magnetismo è legato alla direzione del loro movimento. In altri materiali, tali elettroni Weyl hanno suscitato nuovi comportamenti legati alla conduttività elettrica. In questo caso, però, gli elettroni promuovono la formazione spontanea di una spirale magnetica.

“La nostra ricerca mostra un raro esempio di queste particelle che guidano il magnetismo collettivo, ha affermato Collin Broholm, fisico della Johns Hopkins University che ha guidato il lavoro sperimentale presso il NIST Center for Neutron Research (NCNR). “Il nostro esperimento illustra una forma unica di magnetismo che può derivare dagli elettroni Weyl“.

I risultati, che appaiono in Nature Materials, rivelano una complessa relazione tra il materiale, gli elettroni che lo attraversano come corrente e il magnetismo che il materiale esibisce.

In un magnete da frigorifero, a volte immaginiamo che ciascuno dei suoi atomi di ferro abbia un magnete a barra che lo perfora con il suo polo “nord” che punta in una certa direzione. Questa immagine si riferisce agli orientamenti di spin degli atomi, che si allineano in parallelo. Il materiale studiato dal team è diverso. È un “semimetallo” fatto di silicio e dei metalli alluminio e neodimio. Insieme questi tre elementi formano un cristallo, il che implica che i suoi atomi componenti siano disposti in uno schema ripetitivo regolare.

Tuttavia, è un cristallo che rompe la simmetria di inversione, il che significa che lo schema ripetitivo è diverso su un lato delle celle unitarie di un cristallo, il più piccolo elemento costitutivo di un reticolo cristallino, rispetto all’altro. Questa disposizione stabilizza gli elettroni che fluiscono attraverso il cristallo.

La stabilità degli elettroni si manifesta come un’uniformità nella direzione dei loro spin. Nella maggior parte dei materiali che conducono elettricità, come il filo di rame, gli elettroni che fluiscono attraverso il filo hanno spin che puntano in direzioni casuali. Ciò non avviene nel semimetallo, la cui simmetria rotta trasforma gli elettroni che fluiscono in elettroni Weyl i cui spin, sono orientati o nella direzione di viaggio dell’elettrone, o nella direzione esattamente opposta. Tuttavia è proprio questo blocco degli spin degli elettroni di Weyl nella loro direzione di movimento che provoca il raro comportamento magnetico del semimetallo.

I tre tipi di atomi del materiale conducono tutti elettricità, fornendo un trampolino di lancio per gli elettroni mentre saltano da un atomo all’altro, ma solo gli atomi di neodimio (Nd) mostrano magnetismo. Sono suscettibili all’influenza degli elettroni Weyl, che spingono gli spin dell’atomo di Nd in un modo curioso. Guarda lungo qualsiasi fila di atomi di Nd che si estende in diagonale attraverso il semimetallo e vedrai ciò che il team di ricerca chiama “spirale di rotazione“.

“Un modo semplificato per immaginarlo è che lo spin del primo atomo di Nd punti alle 12, poi il successivo alle 4, poi il terzo alle 8”, ha affermato Broholm. “Poi lo schema si ripete. Questa bellissima “struttura” di spin è guidata dagli elettroni Weyl mentre visitano gli atomi di Nd vicini”.

Ci è voluta una collaborazione tra molti gruppi all’interno dell’Institute for Quantum Matter della Johns Hopkins University per rivelare il magnetismo speciale che sorge nel cristallo. Comprendeva gruppi che lavoravano sulla sintesi dei cristalli, calcoli numerici sofisticati ed esperimenti di diffusione di neutroni.

“Per la diffusione dei neutroni, abbiamo notevolmente beneficiato dell’ampia quantità di tempo del raggio di diffrazione dei neutroni che era a nostra disposizione presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni”, ha affermato Jonathan Gaudet, uno dei coautori dell’articolo. “Senza il tempo del raggio, avremmo perso questa bellissima nuova fisica”.

Ogni anello della spirale di rotazione è lungo circa 150 nanometri e le spirali appaiono solo a basse temperature inferiori a 7 K. Broholm ha affermato che ci sono materiali con proprietà fisiche simili che funzionano a temperatura ambiente e che potrebbero essere sfruttati per creare un magnete efficiente. 

Dispositivi di memoria

“La tecnologia della memoria magnetica come i dischi rigidi di solito richiedono la creazione di un campo magnetico affinché funzionino”, ha affermato. “Con questa classe di materiali, è possibile memorizzare le informazioni senza dover applicare o rilevare un campo magnetico. Leggere e scrivere le informazioni elettricamente è più veloce e più robusto”.

Comprendere gli effetti che gli elettroni di Weyl guidano potrebbe anche far luce su altri materiali che hanno portato costernazione ai fisici.

“Fondamentalmente, potremmo essere in grado di creare una varietà di materiali con diverse caratteristiche di rotazione interna, e forse lo abbiamo già”, ha detto Broholm. “Come comunità, abbiamo creato molte strutture magnetiche che non comprendiamo immediatamente. Avendo visto il carattere speciale del magnetismo mediato da Weyl, potremmo finalmente essere in grado di comprendere e utilizzare tali strutture magnetiche esotiche”.