Professor Andreas Michels, fisico presso l'Università del Lussemburgo, esplora il complesso mondo dei materiali magnetici sparando su di essi neutroni. Ora ha pubblicato le sue intuizioni in una monografia di 380 pagine intitolata "Magnetic Small-Angle Neutron Scattering - A Probe for Mesoscale Magnetism Analysis". Il libro è pubblicato dalla Oxford University Press.

Essendo il risultato di più di due decenni di sperimentazione, teorico, e la ricerca sulla simulazione, Il Prof. Andreas Michels ha ora scritto il primo libro dedicato esclusivamente alla tecnica specifica dei neutroni dello scattering di neutroni magnetici a piccolo angolo (SANS). "Ogni volta che vuoi sapere dove si trovano gli atomi magnetici in un materiale e come si muovono, devi usare lo scattering di neutroni, " dice il prof. Andreas Michels. Il neutrone è una particella elementare che trasporta un momento magnetico o spin. Come tale, si può pensare al neutrone come a un minuscolo ago della bussola, quale, quando deviato o disperso da un magnete, fornisce informazioni sulla struttura e la dinamica degli atomi che compongono il materiale. La quantità di interesse in un esperimento di diffusione di neutroni, la cosiddetta sezione trasversale di dispersione, dipende dalla distribuzione degli spin del materiale studiato e la sua analisi fornisce importanti informazioni sulle proprietà magnetiche.

Continua il Prof. Michels "Il metodo magnetico SANS è indispensabile nello studio dei materiali magnetici; si può usarlo per indagare di tutto, dai magneti permanenti, acciai magnetici, ossidi complessi e leghe, ferrofluidi, nanoparticelle magnetiche, ai superconduttori e ai cristalli skyrmion scoperti di recente." La ragione della sua importanza nella fisica della materia condensata e dei materiali risiede nel fatto che il SANS magnetico fornisce, in modo del tutto unico, accesso alla cosiddetta scala di lunghezza mesoscopica, cioè., la scala tra pochi nanometri e poche centinaia di nanometri, all'incirca tra le dimensioni di un filamento di DNA umano e circa un centesimo della larghezza di un capello umano. Questo è un regime dimensionale molto importante su cui si realizzano molte proprietà macroscopiche dei materiali. Il metodo SANS è particolarmente utile per gli scienziati dei materiali per aiutarli a comprendere i magneti che producono nei loro laboratori.

"Per esempio, si può utilizzare la tecnica magnetica SANS per decidere se un particolare materiale è composto da domini magnetici omogenei o disomogenei; queste sono regioni all'interno del magnete dove gli spin puntano in una certa direzione, " spiega il Prof. Michels. Questa domanda è rilevante per migliorare i parametri caratteristici come la coercività o il massimo prodotto energetico dei magneti permanenti privi di terre rare, una classe di materiali energetici magnetici che è attualmente al centro dell'attenzione di molti ricercatori in tutto il mondo. Un altro esempio riguarda le proprietà meccaniche dell'acciaio, che è probabilmente uno dei materiali magnetici funzionali più antichi e importanti. La durezza meccanica dell'acciaio del recipiente a pressione del reattore, utilizzato nelle centrali nucleari, è decisamente determinato dalla presenza di vuoti (pori). La figura seguente mostra la struttura di spin calcolata numericamente attorno a un nanoporo sferico; il formalismo del libro permette di rilevare la loro firma nella sezione d'urto di scattering di neutroni.

Il libro è emerso "sposando" due campi relativamente antichi della fisica:la teoria del micromagnetico da un lato e il formalismo della diffusione dei neutroni dall'altro. Il micromagnetico è comunemente usato per analizzare la distribuzione della magnetizzazione o il ciclo di isteresi di materiali magnetici, mentre lo scattering di neutroni viene impiegato per ottenere informazioni microscopiche sulla struttura e la dinamica dei materiali. "Prima, il micromagnetico e lo scattering di neutroni erano due comunità disgiunte che non parlavano molto tra loro, " aggiunge Michels. Con la pubblicazione del libro, e attraverso l'organizzazione di workshop internazionali come quello presso l'European Spallation Source di Lund, si spera che la metodologia combinata micromagnetica e SANS stia diventando sempre più diffusa, in modo che la ricerca sui materiali magnetici possa progredire ulteriormente.

Guardare avanti, quali sono le sfide per gli anni a venire? Chiaramente, occorre fare molta ricerca sui cosiddetti sistemi complessi, quali sono materiali che esibiscono una moltitudine di interazioni su diverse scale di lunghezza; esempi sono i ferrofluidi, acciai magnetici, occhiali da spinning o magneti amorfi. È questo sottocampo in cui si prevede di compiere grandi progressi nei prossimi anni; principalmente attraverso il maggiore utilizzo di simulazioni micromagnetiche numeriche su larga scala, che è un approccio molto promettente per la comprensione del SANS magnetico da sistemi che mostrano disomogeneità di spin su scala nanometrica.

Il pubblico di destinazione del libro è costituito da studenti laureati, postdoc e ricercatori senior che lavorano nel campo del magnetismo e dei materiali magnetici. Il formalismo e i concetti esposti nel libro, si spera, consentiranno loro di analizzare e interpretare i loro esperimenti SANS." spiega il professor Andreas Michels. "Mi ci sono voluti circa tre anni per scrivere il libro, e ora sono più che felice di vederne la pubblicazione, " dice Michels. La monografia è disponibile in edizione cartonata e come e-book, e può essere ordinato nelle librerie di tutto il mondo.