Quando un isolante Mott con un forte accoppiamento di ordine di rotazione viene raffreddato, il suo reticolo atomico si distorce, rompendo la sua simmetria cubica. Quella distorsione guida una forma unica di magnetismo a strati all'interno dei materiali. Credito:laboratorio Mitrović / Brown University
I ricercatori della Brown University hanno mostrato sperimentalmente come nasce una forma unica di magnetismo in una strana classe di materiali chiamati isolanti di Mott. I risultati sono un passo verso una migliore comprensione degli stati quantistici di questi materiali, che hanno suscitato molto interesse tra gli scienziati negli ultimi anni.
Lo studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , aiuta a confermare un nuovo lavoro teorico che tenta di spiegare come si comportano gli elettroni in questi strani materiali. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con scienziati della Stanford University e del National High Magnetic Field Laboratory.
"Abbiamo scoperto che la teoria regge bene, "ha detto Vesna Mitrović, un professore associato di fisica alla Brown che ha guidato il lavoro. "Dimostra che questa nuova teoria, sulla base di modelli quantistici che coinvolgono complicate interazioni di spin degli elettroni, è un buon inizio per comprendere il magnetismo in materiali fortemente interagenti."
Gli isolanti Mott sono materiali che dovrebbero essere conduttori secondo le teorie tradizionali della conduttività elettrica, ma agiscono comunque come isolanti. Lo stato isolante sorge perché gli elettroni in questi materiali sono fortemente correlati e si respingono l'un l'altro. Quella dinamica crea una specie di ingorgo nel traffico di elettroni, impedendo alle particelle di fluire per formare una corrente.
Gli scienziati sperano di poter trovare il modo di spostare questi materiali dentro e fuori lo stato isolante di Mott, che sarebbe utile nello sviluppo di nuovi tipi di dispositivi funzionali. È stato anche dimostrato che introducendo impurità nella loro struttura, alcuni isolanti Mott diventano superconduttori ad alta temperatura, materiali che possono condurre elettricità senza resistenza a temperature ben al di sopra di quelle normalmente richieste per la superconduttività.
Nonostante la promessa di questi materiali, gli scienziati non hanno ancora compreso appieno come funzionano. Una descrizione completa degli stati degli elettroni in questi materiali è stata elusiva. Al livello più fondamentale, ogni singolo elettrone è caratterizzato dalla sua carica e spin, il suo minuscolo momento magnetico che punta verso l'alto o verso il basso. È difficile prevedere le proprietà degli elettroni negli isolanti Mott perché gli stati degli elettroni sono così strettamente correlati tra loro:lo stato di un elettrone influenza gli stati dei suoi vicini.
A complicare ulteriormente le cose, molti isolanti Mott mostrano ciò che è noto come accoppiamento spin-orbita, il che significa che lo spin di ogni elettrone cambia mentre orbita attorno a un nucleo atomico. L'accoppiamento spin-orbita implica che il momento magnetico dell'elettrone è influenzato dalla sua orbita attorno a un nucleo atomico, e quindi lo spin di un elettrone non è ben definito. Così, prevedere le proprietà di questi materiali richiede la conoscenza delle interazioni tra gli elettroni mentre le proprietà fondamentali del singolo elettrone dipendono dal loro moto orbitale.
"Quando hai queste interazioni complesse più l'accoppiamento dell'ordine di spin, diventa una situazione incredibilmente complicata da descrivere teoricamente, " Ha detto Mitrović. "Eppure abbiamo bisogno di una teoria quantistica così fondamentale per essere in grado di prevedere nuove proprietà quantistiche di materiali complessi e sfruttarle".
Lo studio di Mitrović si è concentrato su uno strano tipo di magnetismo che si verifica quando gli isolanti Mott con un forte accoppiamento spin-orbita vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica. Il magnetismo nasce come risultato di allineamenti tra gli spin degli elettroni. Ma in questo caso, perché gli spin interagiscono fortemente e i loro valori dipendono dal moto orbitale, non si capisce come questo magnetismo nasca in questi materiali.
C'è stato un importante tentativo teorico di mostrare cosa potrebbe accadere in questi materiali al livello più fondamentale per portare a questo stato magnetico. Ed è quello che Mitrović e i suoi colleghi hanno voluto testare.
I colleghi di Mitrović a Stanford hanno iniziato sintetizzando e caratterizzando termodinamicamente un materiale isolante Mott a base di bario, sodio, osmio e ossigeno, che Mitrović ha sondato usando la risonanza magnetica nucleare. La particolare tecnica utilizzata dal team ha permesso loro di raccogliere informazioni sulla distribuzione delle cariche degli elettroni nel materiale e informazioni sullo spin degli elettroni allo stesso tempo.
Il lavoro ha mostrato che quando il materiale si raffredda, i cambiamenti nella distribuzione delle cariche degli elettroni causano distorsioni negli orbitali atomici e nel reticolo del materiale. Man mano che la temperatura si abbassa ulteriormente, quella distorsione guida il magnetismo causando un allineamento degli spin degli elettroni all'interno dei singoli strati del reticolo atomico.
"Siamo stati in grado di determinare l'esatta natura delle distorsioni della carica orbitale che precede il magnetismo, così come l'esatto allineamento di spin in questo stato magnetico esotico." Ha detto Mitrović. "In uno strato hai spin allineati in una direzione, e poi negli strati sopra e sotto di esso gli spin sono allineati nella diversa direzione. Ciò si traduce in un magnetismo debole su tutto, nonostante il forte magnetismo all'interno di ogni strato."
La teoria che Mitrović stava studiando prevedeva esattamente questo magnetismo stratificato preceduto da distorsioni di carica. Come tale, i risultati aiutano a confermare che la teoria è sulla strada giusta.
Il lavoro è un passo importante verso la comprensione e la manipolazione delle proprietà di questa interessante classe di materiali per applicazioni del mondo reale, dice Mitrovic. In particolare, i materiali con accoppiamento di ordine di spin sono promettenti per lo sviluppo di dispositivi elettronici che consumano meno energia rispetto ai dispositivi ordinari.
"Se vogliamo iniziare a utilizzare questi materiali nei dispositivi, dobbiamo capire come funzionano fondamentalmente, " Ha detto Mitrović. "In questo modo possiamo sintonizzare le loro proprietà per quello che vogliamo che facciano. Convalidando parte del lavoro teorico sugli isolanti di Mott con un forte accoppiamento spin-orbita, questo lavoro è un passo importante verso una migliore comprensione".
In un senso più ampio, il lavoro è un passo verso una teoria quantistica del magnetismo più completa.
"Anche se il magnetismo è il fenomeno quantistico più lungo conosciuto, scoperto dagli antichi greci, una teoria quantistica fondamentale del magnetismo rimane sfuggente, " Ha detto Mitrović. "Abbiamo progettato il nostro lavoro per testare una nuova teoria che tenta di spiegare come nasce il magnetismo nei materiali esotici".
