Quando la temperatura cambia, molti materiali subiscono una transizione di fase, come l’acqua liquida in ghiaccio o un metallo in un superconduttore. A volte, un cosiddetto ciclo di isteresi accompagna un tale cambiamento di fase, in modo che le temperature di transizione siano diverse a seconda che il materiale venga raffreddato o riscaldato.
In un nuovo articolo su Physical Review Letters, un team di ricerca globale guidato dal professore di fisica del MIT Nuh Gedik ha scoperto un’insolita transizione isteretica in un composto stratificato chiamato EuTe 4, in cui l’isteresi copre un intervallo di temperatura gigantesco di oltre 400 kelvin. Questo ampio intervallo termico non solo batte il record tra i solidi cristallini, ma promette anche di introdurre un nuovo tipo di transizione nei materiali che possiedono una struttura a strati.
Questi risultati creerebbero una nuova piattaforma per la ricerca fondamentale sul comportamento isteretico nei solidi in intervalli di temperatura estremi. Inoltre, i numerosi stati metastabili, che risiedono all’interno del ciclo di isteresi gigante, offrono ampie opportunità agli scienziati di controllare in modo squisito le proprietà elettriche del materiale, che possono trovare applicazione negli interruttori elettrici di prossima generazione o nella memoria non volatile, un tipo di memoria del computer che conserva i dati quando spento.
I ricercatori includono il post-dottorato Baiqing Lyu e lo studente laureato Alfred Zong Ph.D. dal laboratorio Gedik, così come altri 26 ricercatori provenienti da 14 istituzioni in tutto il mondo. I lavori sperimentali eseguiti in questo documento hanno utilizzato strutture all’avanguardia di sincrotrone negli Stati Uniti e in Cina, dove le sorgenti luminose brillanti sono generate da particelle cariche in rapido movimento in una pista circolare lunga un chilometro, e la luce intensa si concentra su EuTe 4 per svelarne la struttura interna. Gedik e il suo gruppo hanno anche collaborato con un team di teorici tra cui il professor Boris Fine e AV Rozhkov dalla Germania e dalla Russia, i quali hanno entrambi contribuito a integrare molti pezzi del puzzle nelle osservazioni sperimentali in un quadro coerente.
Isteresi e memoria termica
L’isteresi è un fenomeno in cui la risposta di un materiale a una perturbazione, come un cambiamento di temperatura, dipende dalla storia del materiale. Un’isteresi indica che il sistema è intrappolato in un minimo locale ma non globale nel panorama energetico. Nei solidi cristallini caratterizzati da un ordine a lungo raggio, cioè dove c’è un modello periodico di una disposizione atomica sull’intero cristallo, l’isteresi si verifica tipicamente in un intervallo di temperatura abbastanza ristretto, da pochi a decine di kelvin nella maggior parte dei casi.
“In EuTe 4 abbiamo invece trovato un intervallo di temperatura estremamente ampio per l’isteresi superiore a 400 kelvin”, ha affermato Lyu. “Il numero effettivo potrebbe essere molto più grande, poiché questo valore è limitato dalle capacità delle attuali tecniche sperimentali. Questa scoperta ha immediatamente attirato la nostra attenzione e la nostra caratterizzazione sperimentale e teorica combinata di EuTe 4 , che sfida la saggezza convenzionale sul tipo di transizioni isteretiche che possono verificarsi nei cristalli”.
Una manifestazione del comportamento isteretico è nella resistenza elettrica del materiale. Raffreddando o riscaldando i cristalli di EuTe 4, i ricercatori sono stati in grado di variare la loro resistività elettrica di ordini di grandezza.
“Il valore della resistività a una data temperatura, diciamo a temperatura ambiente, dipende dal fatto che il cristallo fosse più freddo o più caldo”, ha spiegato Zong. “Questa osservazione ci indica che la proprietà elettrica del materiale ha in qualche modo una memoria della sua storia termica, e al microscopio le proprietà del materiale possono conservare i tratti di una temperatura diversa in passato. Tale ‘memoria termica’ può essere usata come un registratore di temperatura permanente. Ad esempio, misurando la resistenza elettrica di EuTe 4 a temperatura ambiente, sappiamo immediatamente qual è la temperatura più fredda o più calda che il materiale ha sperimentato in passato”.
Stranezze trovate
I ricercatori hanno anche trovato diverse stranezze nell’isteresi. Ad esempio, a differenza di altre transizioni di fase nei cristalli, non hanno osservato alcuna modifica nella struttura elettronica o reticolare nell’ampio intervallo di temperatura. “L’assenza di cambiamenti microscopici ci sembra davvero peculiare”, ha aggiunto Lyu.
“Aggiungendo al mistero, a differenza di altre transizioni isteretiche che dipendono sensibilmente dalla velocità di raffreddamento o riscaldamento, il ciclo di isteresi di EuTe 4 non sembra influenzato da questo fattore”.
Un indizio per i ricercatori è il modo in cui gli elettroni sono disposti in EuTe 4. “A temperatura ambiente, gli elettroni in un cristallo EuTe 4 condensano spontaneamente in regioni con densità bassa e alta, formando un cristallo elettronico secondario sopra il reticolo periodico originale”, ha spiegato Zong. “Riteniamo che le stranezze associate al ciclo di isteresi gigante possano essere correlate a questo cristallo elettronico secondario, in cui diversi strati di questo composto mostrano movimenti disordinati mentre stabiliscono la periodicità a lungo raggio”.
“La natura stratificata di EuTe 4 è cruciale in questa spiegazione dell’isteresi”, ha affermato Lyu. “La debole interazione tra i cristalli secondari in diversi strati consente loro di muoversi l’uno rispetto all’altro, creando così molte configurazioni metastabili nel ciclo di isteresi”.
Il passo successivo è escogitare modi, oltre a modificare la temperatura, per indurre questi stati metastabili in EuTe 4. Ciò consentirà agli scienziati di manipolare le sue proprietà elettriche in modi tecnologicamente utili.
“Possiamo produrre impulsi laser intensi più brevi di un milionesimo di un milionesimo di secondo”, ha affermato Gedik. “Il prossimo obiettivo è ingannare EuTe 4 in un diverso stato resistivo dopo aver acceso un singolo lampo di luce, rendendolo un interruttore elettrico ultraveloce che può essere utilizzato, ad esempio, nei dispositivi informatici”.
