(PhysOrg.com) -- Un team internazionale di ricercatori è riuscito per la prima volta a creare ghiaccio artificiale in uno stato di equilibrio termico, consentendo loro di esaminare la configurazione precisa di questo importante nanomateriale.
Scienziati dell'Università di Leeds, il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il Rutherford Appleton Laboratory del Consiglio delle strutture scientifiche e tecnologiche del Regno Unito affermano che la svolta consentirà loro di studiare in modo molto più dettagliato un fenomeno scientifico noto come "monopoli magnetici", che si pensa esistano in tali strutture. I loro risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Fisica della natura .
Il ghiaccio artificiale è costruito utilizzando la nanotecnologia ed è composto da milioni di minuscoli magneti, ciascuno migliaia di volte più piccolo di un granello di sabbia. I magneti esistono in un reticolo in quella che è nota come struttura "frustrata". Come ghiaccio d'acqua, la geometria della struttura fa sì che tutte le interazioni tra gli atomi non possano essere soddisfatte contemporaneamente.
"È come cercare di far sedere commensali e commensali alternati intorno a un tavolo con un numero dispari di posti - per quanto li riorganizzi non ci riuscirai mai, ", ha affermato il dottor Christopher Marrows dell'Università di Leeds, coautore del paper.
Nel ghiaccio rotante, dipoli magnetici con un polo nord e sud sono disposti in strutture tetraedriche. Ogni dipolo ha momenti magnetici, simile ai protoni sulle molecole di H2O nell'acqua ghiacciata, che si attraggono e si respingono. Di conseguenza, i dipoli si dispongono nello stato energetico più basso possibile, che è due poli che puntano verso l'interno e due che indicano.
Il dottor Marrows ha dichiarato:"Gli spin ice hanno creato molta eccitazione negli ultimi anni poiché si è capito che sono un parco giochi per i fisici che studiano le eccitazioni magnetiche dei monopoli e la fisica delle stringhe di Dirac allo stato solido. Tuttavia, fino ad ora tutti i campioni di queste strutture artificiali create in laboratorio sono stati ciò che chiamiamo 'inceppati'.
"Quello che abbiamo fatto è trovare un modo per sbloccare il ghiaccio rotante e portarlo in uno stato fondamentale ben ordinato noto come equilibrio termico. Possiamo quindi congelare un campione in questo stato, e usa un microscopio per vedere in che direzione puntano tutti i piccoli magneti. È l'equivalente di poter scattare una foto di ogni atomo in una stanza in quanto ci consente di ispezionare esattamente come è configurata la struttura".
Jason Morgan, Studente di dottorato presso l'Università di Leeds e autore principale dell'articolo, è stato il primo membro del team ad osservare il campione in equilibrio. Ha detto:"Fare in modo che il campione si auto-ordinasse in questo modo non è mai stato ottenuto sperimentalmente prima e per un po' era stato considerato impossibile. Ma quando abbiamo guardato il campione usando la microscopia a forza magnetica e abbiamo visto questa bellissima struttura periodica, abbiamo capito immediatamente che avevamo raggiunto uno stato fondamentale ordinato."
I ricercatori sono stati anche in grado di osservare le singole eccitazioni al di fuori di questo stato fondamentale all'interno del loro campione, che dicono sia la prova della dinamica dei monopoli all'interno del reticolo.
I monopoli magnetici - magneti con un solo polo nord o sud ¬¬ - sono ex particelle ipotetiche che ora si pensa esistano nel ghiaccio di spin. C'è speranza tra gli scienziati che la comprensione di questi monopoli in modo più dettagliato possa portare a progressi in un nuovo campo tecnologico noto come "magnetricità", un equivalente magnetico dell'elettricità.
Co-autore Sean Langridge, Fellow del Science and Technology Facilities Council (STFC) e visiting professor presso l'Università di Leeds, ha aggiunto:"Nei sistemi spin-ice naturali questo stato fondamentale è previsto ma non è stato osservato sperimentalmente.
"Ora che è stato osservato in un sistema artificiale, il passo successivo è osservare dinamicamente le eccitazioni da questo stato fondamentale. Possiamo farlo solo controllando le interazioni con le tecniche litografiche all'avanguardia. Questo livello di controllo fornirà un livello uniforme maggiore livello di comprensione in questo affascinante sistema."
Il team ha creato campioni di ghiaccio spin "artificiale" a Brookhaven utilizzando uno strumento di nanotecnologia all'avanguardia chiamato scrittore di fasci di elettroni. Una struttura simile da 4 milioni di sterline sarà presto aperta presso l'Università di Leeds, che sarà unica nel Regno Unito e consentirà una collaborazione continua con i ricercatori di Brookhaven.
