Monopoli magnetici scoperti in materiali reali

I ricercatori hanno svelato per la prima volta la natura dinamica dei monopoli magnetici emergenti nei magneti reali.

I monopoli magnetici

I monopoli magnetici sono particelle elementari con cariche magnetiche isolate in tre dimensioni. In altre parole, si comportano come i poli nord o sud isolati di un magnete. I monopoli magnetici hanno attirato un continuo interesse di ricerca fin dalla prima proposta del fisico Paul Dirac nel 1931.

Veri e propri monopoli magnetici, tuttavia, non sono ancora stati osservati e la loro esistenza rimane una questione aperta. D’altra parte, gli scienziati hanno scoperto quasi-particelle che matematicamente si comportano come monopoli magnetici nei sistemi di materia condensata, dando luogo a fenomeni interessanti.

Recentemente, i ricercatori hanno scoperto che un materiale chiamato germanuro di manganese (MnGe) ha una struttura periodica unica, formata da speciali configurazioni magnetiche chiamate ricci e antiricci, chiamata reticolo di riccio magnetico.

In queste configurazioni speciali, i momenti magnetici puntano radialmente verso l’esterno (riccio) o verso l’interno (antiriccio), ricordando le spine di un riccio. Questi ricci e antiricci agiscono come monopoli e antimonopoli magnetici, fungendo da sorgenti o pozzi di campi magnetici emergenti.

Le modalità di eccitazione collettiva dei reticoli del riccio sono governate dall’oscillazione delle stringhe di Dirac, che collegano un riccio e un antiriccio, che possono essere utilizzate per studiare la loro configurazione spaziale nei magneti. 

Monopoli magnetici in materiali reali: svelata la loro natura dinamica

MnGe ha mostrato quello che è noto come reticolo a riccio triplo-Q. Tuttavia, recenti esperimenti hanno dimostrato che la sostituzione di Ge con Si (MnSi 1- x Ge x ) trasforma la disposizione nel reticolo quadruplo Q hedgehog (4 Q -HL). Questa nuova disposizione, riscontrata anche nella ferrite perovskite SrFeO 3, ha fornito una strada promettente per lo studio e il controllo delle proprietà dei reticoli a riccio.

Inoltre, questi monopoli magnetici possono anche indurre campi elettrici muovendosi secondo le leggi dell’elettromagnetismo di Maxwell. Per comprendere i nuovi fenomeni fisici risultanti, è essenziale studiare le eccitazioni intrinseche dei reticoli del riccio.

In un recente studio, il professor Masahito Mochizuki e il Ph.D. lo studente del corso Rintaro Eto, entrambi del Dipartimento di Fisica Applicata dell’Università di Waseda, hanno studiato teoricamente le modalità di eccitazione collettiva dei 4Q-HL in MnSi 1-x Ge x e SrFeO 3.

Mochizuki ha dichiarato: “La nostra ricerca ha chiarito per la prima volta la natura dinamica sconosciuta dei monopoli magnetici emergenti nei materiali magnetici. Questo può ispirare futuri esperimenti su materiali che ospitano ricci con applicazioni in dispositivi elettronici e per collegare la fisica delle particelle e la fisica della materia condensata”. Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Utilizzando il modello tridimensionale del reticolo di Kondo, i ricercatori hanno riprodotto i due distinti 4 Q -HL presenti in MnSi 1- x Ge x e SrFeO 3 e ne hanno analizzato le proprietà dinamiche. Hanno scoperto che i 4 Q -HL hanno modalità di eccitazione collettive associate all’oscillazione delle corde di Dirac. Una stringa di Dirac è un concetto teorico della meccanica quantistica che descrive una stringa che collega un monopolo magnetico e un antimonopolo magnetico, in questo caso un riccio e un antiriccio.

Monopoli magnetici: nuove modalità di eccitazione aprono la strada a tecnologie rivoluzionarie

I ricercatori hanno scoperto che il numero di queste modalità di eccitazione dipende dal numero e dalla configurazione delle stringhe di Dirac, offrendo un modo per determinare sperimentalmente la configurazione spaziale di ricci e antiricci e la loro topologia unica in magneti reali come MnSi 1- x Ge x e SrFeO 3.

Questa scoperta offre spunti sulla dinamica dei reticoli a riccio anche in altri magneti. Inoltre, ci consente di attivare e disattivare le modalità di eccitazione controllando la presenza o l’assenza delle stringhe di Dirac con campo magnetico esterno.

Spiegando il significato dei loro risultati, Eto ha osservato: “Le modalità collettive di eccitazione di spin rivelate nello studio sono eccitazioni elementari che riflettono direttamente la presenza (o l’assenza) di monopoli magnetici emergenti. Pertanto, i nostri risultati costituiranno una linea guida fondamentale per studiare in futuro la natura dinamica più dettagliata dei monopoli emergenti nei materiali magnetici. Inoltre, potrebbero diventare gli elementi costitutivi di nuovi dispositivi spintronici commutabili sul campo come generatori di energia di dimensioni nanometriche, convertitori di tensione luminosa e filtri di luce/microonde basati sull’elettromagnetismo emergente”.

Queste scoperte hanno il potenziale per aprire nuove strade di ricerca nella fisica fondamentale e portare allo sviluppo di nuove tecnologie che coinvolgono i monopoli magnetici emergenti nei magneti.