I ricercatori dell’Università di Princeton hanno fatto un passo avanti nella comprensione del magnetismo cinetico utilizzando atomi ultrafreddi in un reticolo costruito con il laser per immaginare un nuovo tipo di polarone, rivelando come il movimento delle impurità in una matrice atomica provoca un forte magnetismo ad alte temperature.
Magnetismo cinetico: scoperto un nuovo meccanismo
Il magnetismo cinetico si differenzia dai magneti comuni, come quelli che utilizziamo quotidianamente, per le sue origini microscopiche. Mentre nei magneti classici le interazioni elettroniche che generano il magnetismo sono note da tempo, il magnetismo cinetico è caratterizzato da meccanismi meno comprensibili che gli scienziati stanno ancora scoprendo.
La ricerca pubblicata sulla rivista Nature rappresenta un traguardo importante in questo campo. I fisici di Princeton hanno potuto osservare direttamente i polaroni, quasiparticelle che emergono dall’interazione tra elettroni e atomi nel reticolo artificiale creato con il laser. Questa osservazione diretta ha permesso di chiarire il meccanismo alla base del magnetismo cinetico, fornendo nuove informazioni preziose per la comprensione di questo fenomeno complesso.
Lo studio apre nuove strade per la ricerca in questo campo, con potenziali applicazioni in svariati settori, tra cui lo sviluppo di nuovi materiali magnetici e la progettazione di dispositivi quantistici più efficienti. La capacità di manipolare e controllare i polaroni potrebbe infatti portare alla realizzazione di tecnologie innovative con proprietà magnetiche uniche.
Waseem Bakr, professore di fisica a Princeton e autore principale dell’articolo ha dichiarato: “Questo è davvero entusiasmante. Le origini del magnetismo cinetico in questo caso sono legate al movimento delle impurità nella struttura atomica, da cui deriva il nome. Questo movimento è molto particolare e genera un magnetismo robusto anche a temperature elevate. Inoltre, la possibilità di modularlo mediante il drogaggio – l’aggiunta o la rimozione di particelle – rende il magnetismo cinetico estremamente promettente per applicazioni in dispositivi basati su materiali reali”.
Bakr e il suo team hanno studiato questa nuova forma di magnetismo a un livello di dettaglio mai realizzato in ricerche precedenti. Grazie al controllo offerto dai sistemi atomici ultrafreddi, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare, per la prima volta, la fisica a grana fine che dà origine al magnetismo cinetico.
Il fisico del Princeton ha spiegato: “Nel nostro laboratorio, possediamo la straordinaria capacità di osservare questo sistema a livello di singolo atomo e di singolo sito nel reticolo, scattando “istantanee” delle delicate correlazioni quantistiche tra le particelle”.
Per diversi anni, Bakr e il suo team di ricerca si sono dedicati allo studio degli stati quantistici, impiegando particelle subatomiche ultrafredde note come fermioni all’interno di una camera a vuoto. Hanno ideato un apparato all’avanguardia che consente di raffreddare gli atomi a temperature estremamente basse e di disporli in cristalli artificiali, chiamati reticoli ottici, creati mediante l’utilizzo di raggi laser. Questo sistema ha permesso ai ricercatori di esplorare affascinanti aspetti del mondo quantistico, focalizzandosi sul comportamento emergente di insiemi di particelle interagenti.
Magnetismo cinetico: fondamenti teorici e approfondimenti sperimentali
Uno dei primi meccanismi teoricamente proposti per il magnetismo, che ha posto le basi per gli attuali esperimenti del team, è noto come ferromagnetismo di Nagaoka, dal nome del suo scopritore, Yosuke Nagaoka. I ferromagneti sono materiali in cui gli stati di spin degli elettroni coincidono, allineandosi nella stessa direzione.
Mentre un ferromagnete con spin allineati rappresenta il tipo di magnete più comunemente conosciuto, nel contesto teorico più semplice, gli elettroni che interagiscono fortemente su un reticolo tendono naturalmente verso l’antiferromagnetismo, dove gli spin si dispongono in direzioni alternate. Questa preferenza per l’anti-allineamento degli spin vicini si verifica come conseguenza di un accoppiamento indiretto degli spin elettronici adiacenti, noto come superscambio.
Tuttavia, Nagaoka ha ipotizzato che il ferromagnetismo potesse derivare anche da un meccanismo completamente diverso, determinato dal movimento di impurità introdotte intenzionalmente, o droganti. Per comprendere meglio questo concetto, possiamo immaginare un reticolo bidimensionale a forma di quadrato, in cui ogni sito del reticolo, tranne uno, è occupato da un elettrone. Il sito vuoto (o drogante lacunoso) si sposta all’interno del reticolo.
Nagaoka ha osservato che se il buco si muove in un ambiente di spin allineati, ovvero in un ferromagnete, le diverse traiettorie del suo movimento interferiscono meccanicamente tra loro. Questo fenomeno migliora la diffusione della posizione quantistica del buco e riduce la sua energia cinetica.
Il teorema di Nagaoka ha ottenuto un rapido riconoscimento per la sua capacità di spiegare gli stati fondamentali di sistemi di elettroni fortemente interagenti, un’impresa per la quale all’epoca esistevano poche teorie rigorose. Tuttavia, la verifica sperimentale delle sue previsioni si è rivelata estremamente complessa a causa dei vincoli imposti dal modello. Il teorema richiedeva interazioni infinitamente forti e la presenza di un singolo drogante. Solo dopo oltre cinquant’anni dalla sua formulazione, altri ricercatori hanno dimostrato che tali condizioni potevano essere significativamente alleviate in reticoli con geometria triangolare.
Per condurre l’esperimento, i ricercatori hanno impiegato vapori di atomi di litio-6. Questo isotopo del litio possiede tre elettroni, tre protoni e tre neutroni. Benjamin Spar, studente laureato in fisica all’Università di Princeton e co-autore principale dell’articolo ha dichiarato: “Il numero dispari di elettroni conferisce al litio-6 proprietà fermioniche, il che significa che gli atomi si comportano in modo simile agli elettroni in un sistema a stato solido”.
Raffreddando questi gas a temperature estreme, solo pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, mediante l’utilizzo di raggi laser, il loro comportamento inizia a essere governato dai principi della meccanica quantistica, piuttosto che dalla più familiare meccanica classica.
Spar ha aggiunto: “Una volta ottenuto questo sistema quantistico, carichiamo gli atomi nel reticolo ottico triangolare. Nella configurazione dell’atomo freddo, possiamo controllare la velocità con cui gli atomi si muovono o la forza con cui interagiscono tra loro”.
In molti sistemi fortemente interagenti, le particelle in un reticolo si organizzano in un “isolante di Mott”, uno stato della materia in cui ogni sito del reticolo è occupato da una singola particella. In questo stato, si verificano deboli interazioni antiferromagnetiche dovute al superscambio tra lo spin degli elettroni sui siti vicini. Tuttavia, invece di utilizzare un isolante di Mott, i ricercatori hanno impiegato una tecnica chiamata “doping”, che consiste nella rimozione di alcune particelle, creando così “buchi” nel reticolo, oppure nell’aggiunta di particelle extra.
Bakr ha spiegato: “Nel nostro esperimento non partiamo da un atomo per sito. Piuttosto, introduciamo ‘doping’ nel reticolo, aggiungendo o rimuovendo particelle. Questo ci permette di osservare una forma di magnetismo, ovvero il magnetismo cinetico, molto più robusta rispetto al solito magnetismo di superscambio, caratterizzata da una scala energetica più elevata. Tale scala è legata al movimento degli atomi all’interno del reticolo”.
Sfruttando la spaziatura dei siti reticolari molto più ampia nei reticoli ottici rispetto ai materiali reali, i ricercatori sono stati in grado di osservare i fenomeni a livello di singolo sito utilizzando un microscopio ottico. Hanno scoperto che la nuova forma di magnetismo è generata da un nuovo tipo di polarone magnetico.
Bakr ha aggiunto: “Un polarone è una quasiparticella che emerge in un sistema quantistico composto da molti costituenti interagenti. Si comporta in modo molto simile a una particella normale, possedendo proprietà come carica, rotazione e massa effettiva, ma non è una particella reale come un atomo. In questo caso, si tratta di un drogante in movimento che perturba l’ambiente magnetico circostante, ovvero il modo in cui gli spin degli atomi vicini sono allineati tra loro”.
Nei materiali reali, questa nuova forma di magnetismo era stata osservata solo nell’ultimo anno, esclusivamente nei cosiddetti materiali moiré, costituiti da cristalli bidimensionali sovrapposti.
Spar ha affermato: “Le sonde di magnetismo disponibili per questi materiali sono limitate. Gli esperimenti con materiali moiré hanno misurato effetti macroscopici, relativi al comportamento di un grande pezzo di materiale quando viene applicato un campo magnetico. La configurazione dell’atomo freddo ci permette di approfondire la fisica microscopica alla base del magnetismo cinetico. Abbiamo acquisito immagini dettagliate che rivelano le correlazioni di spin attorno ai droganti mobili. Ad esempio, abbiamo scoperto che un drogante con lacune si circonda di spin anti-allineati durante il suo movimento, mentre un drogante con particelle fa il contrario, circondandosi di spin allineati”.
Magnetismo cinetico e implicazioni future
Questa ricerca ha implicazioni di vasta portata nella fisica della materia condensata, che si estendono oltre la comprensione del magnetismo stesso. Ad esempio, si ipotizza che versioni più complesse di questi polaroni possano portare a meccanismi di accoppiamento dei droganti con lacune, potenzialmente responsabili della superconduttività ad alte temperature.
Max Prichard, studente laureato e co-autore principale dell’articolo ha dichiarato: “L’aspetto più entusiasmante di questa ricerca è la sua stretta connessione con gli studi condotti dalla comunità della materia condensata. Ci troviamo nella posizione privilegiata di offrire una prospettiva completamente nuova su un problema di grande interesse, con un reciproco vantaggio per tutte le parti coinvolte”.
Guardando al futuro, i ricercatori stanno già elaborando strategie innovative per approfondire l’analisi di questa nuova ed esotica forma di magnetismo cinetico e studiare in dettaglio lo spin del polarone.
Prichard ha concluso: “In questo primo esperimento ci siamo limitati a scattare delle ‘istantanee’ del polarone, che rappresenta solo il primo passo. Ora intendiamo effettuare una misurazione spettroscopica dei polaroni. Vogliamo determinare la loro durata all’interno del sistema interagente, misurare l’energia che lega insieme i componenti di un polarone e la sua massa effettiva durante la propagazione nel reticolo. C’è ancora molto da scoprire in questo campo”.
