Un gruppo di fisici dell’Università del Texas ad Austin ha raggiunto un traguardo storico dimostrando sperimentalmente una sequenza di fasi magnetiche esotiche in un materiale ultrasottile. Questa scoperta concretizza per la prima volta un modello teorico di magnetismo bidimensionale formulato negli anni ’70, offrendo una prova tangibile di fenomeni rimasti a lungo confinati alla teoria. I ricercatori sono convinti che questo passo avanti possa fungere da catalizzatore per lo sviluppo di nuove tecnologie elettroniche e informatiche ultracompatte.
Una svolta sperimentale nel magnetismo bidimensionale
Il focus della ricerca risiede nell’osservazione di due transizioni chiave che si manifestano quando il materiale viene raffreddato verso lo zero assoluto. Sebbene in passato tali transizioni fossero state identificate singolarmente, non era mai stato possibile osservarle insieme in una sequenza completa e ordinata. Questo successo sperimentale è stato ottenuto utilizzando un foglio di trisolfuro di nichel e fosforo dello spessore di un singolo atomo, permettendo di studiare la materia in una dimensione quasi puramente piana.
Quando il materiale raggiunge temperature comprese tra -150 e -130 °C, entra in un regime magnetico speciale denominato fase BKT. In questa condizione, i momenti magnetici dei singoli atomi si organizzano in strutture vorticose. Questi vortici si presentano in coppie con rotazioni opposte, una in senso orario e l’altra in senso antiorario, rimanendo strettamente legati tra loro. Il nome della fase rende omaggio a Vadim Berezinskii e ai premi Nobel J. Michael Kosterlitz e David Thouless, pionieri della descrizione teorica di queste transizioni topologiche.
Secondo Edoardo Baldini, responsabile della ricerca e professore presso l’UT, la fase BKT è di estremo interesse scientifico per la robustezza e la compattezza dei suoi vortici. Queste strutture occupano lo spazio di pochi nanometri all’interno di un solo strato atomico, offrendo una stabilità eccezionale nonostante le dimensioni ridotte. Tale caratteristica apre una nuova strada per il controllo del magnetismo su scala nanometrica, fornendo al contempo dati preziosi sulla fisica topologica universale applicata ai sistemi bidimensionali.
La transizione verso l’ordine a sei stati
Proseguendo nel processo di raffreddamento, il materiale abbandona la configurazione iniziale per entrare in una seconda fase magnetica ben definita. In questo regime, i momenti magnetici degli atomi si allineano adottando uno dei sei orientamenti specifici dettati dalla simmetria del sistema. Questa transizione rappresenta il passaggio cruciale verso quello che i fisici definiscono uno stato ordinato, dove la libertà di orientamento viene limitata a direzioni precise e correlate tra loro.
L’individuazione simultanea del regime Berezinskii–Kosterlitz–Thouless e dello stato ordinato a bassa temperatura sancisce la piena realizzazione sperimentale del cosiddetto modello dell’orologio a sei stati. Si tratta di un quadro teorico paradigmatico sviluppato negli anni ’70 che, fino ad oggi, attendeva una conferma così completa in un sistema fisico reale. La capacità di osservare entrambe le fasi conferma la validità di decenni di studi teorici sulla meccanica statistica bidimensionale.
Secondo quanto dichiarato dal professor Edoardo Baldini, il lavoro del team non si limita a confermare una sequenza prevista, ma stabilisce con precisione le condizioni fisiche necessarie affinché i vortici magnetici emergano in modo spontaneo. Il fatto che queste strutture su scala nanometrica si formino naturalmente all’interno di un magnete puramente bidimensionale dimostra che la geometria ultrasottile del materiale è la chiave per generare e studiare fenomeni topologici complessi, offrendo un controllo senza precedenti sulla materia a livello atomico.
Prospettive future e ottimizzazione dei materiali
Le ricerche future sulla fase Berezinskii–Kosterlitz–Thouless si concentreranno sull’individuazione di combinazioni chimiche e strutturali capaci di innalzare la temperatura di stabilità di questi fenomeni. L’obiettivo ambizioso è riuscire a mantenere tali fasi magnetiche esotiche a temperature progressivamente più elevate, con l’aspirazione di raggiungere le condizioni ambientali. L’osservazione sperimentale appena ottenuta costituisce la base scientifica essenziale per orientare questi sforzi e trasformare concetti puramente fisici in applicazioni pratiche.
I risultati ottenuti sul trisolfuro di nichel e fosforo suggeriscono che la capacità di ospitare fasi magnetiche finora inesplorate non sia una prerogativa isolata, ma una caratteristica estendibile a un’ampia classe di materiali bidimensionali. Questa evidenza apre direzioni di ricerca inedite sia nel campo della fisica fondamentale, sia nella progettazione di dispositivi di nuova generazione. La possibilità di manipolare il magnetismo su una scala così ridotta promette di rivoluzionare l’architettura dei componenti nanometrici, rendendo i sistemi di archiviazione e computazione dell’informazione estremamente più efficienti e compatti.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials.
