Alexei Tsvelik, un fisico teorico al Brookhaven Lab, usa le mani per dimostrare due diverse disposizioni chirali dei momenti magnetici di tre elettroni vicini. Questa idea di chiralità, o manualità, è anche usato per descrivere gli orientamenti speculari degli atomi nelle molecole, come mostrato sullo schermo del computer di Tsvelik. Credito:Brookhaven National Laboratory
Mentre gli scienziati hanno esplorato la struttura e le proprietà della materia a livelli sempre più profondi, hanno scoperto molti nuovi materiali esotici, compresi i superconduttori che trasportano corrente elettrica senza resistenza, cristalli liquidi che si allineano per produrre display dinamici brillanti, e materiali che esibiscono varie forme di magnetismo. Eppure alcune forme esotiche di materia esistono solo in teoria, previsto dagli scienziati in base a ciò che hanno appreso a questi livelli più profondi. Ora una coppia di fisici fornisce una tabella di marcia teorica che potrebbe puntare alla scoperta di uno di questi stati esotici magneticamente ordinati, soprannominato un "liquido spin chirale".
"Questa forma di materia è stata suggerita per la prima volta circa 30 anni fa come un particolare tipo di ordine magnetico senza una precisa direzione globale dei momenti magnetici, " ha detto Alexei Tsvelik, un teorico presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. "Ma la sua scoperta è rimasta un sogno irrealizzabile, fino ad ora."
In un nuovo articolo accettato come suggerimento dell'editore dalla rivista Lettere di revisione fisica , Tsvelik e il coautore Oleg Yevtushenko dell'Università Ludwig Maximilian in Germania descrivono i requisiti generali che un tale sistema magnetico dovrebbe soddisfare. Danno anche suggerimenti particolari su dove e come cercare esempi reali di liquidi con spin chirale.
In cerca di ordine
Per un semplice esempio di come le proprietà della materia emergano dall'"ordine" tra i suoi elementi costitutivi, pensa a come la temperatura influenza la disposizione delle molecole d'acqua. Si ottengono proprietà notevolmente diverse a seconda che le molecole siano libere di muoversi come vapore, raffreddato per fluire collettivamente come un liquido, o bloccato in posizioni prestabilite in un solido cristallo di ghiaccio.
"In quel semplice caso, l'ordine cristallino si vede ad occhio nudo, " ha detto Tsvelik. "Ma i fisici sono sempre alla ricerca di qualcosa di più sottile e sofisticato, " come l'ordine negli orientamenti dei momenti magnetici degli elettroni.
Gli elettroni hanno una proprietà chiamata spin, in qualche modo analogo alla rotazione di un top giocattolo. L'asse di rotazione determina in che direzione sta puntando la rotazione, e fa agire i singoli elettroni come minuscoli magneti. In un materiale come il ferro, quando le direzioni dei momenti magnetici microscopici degli elettroni sono allineate, si ottiene il magnetismo su scala macroscopica.
Il pollice e le prime due dita delle mani di Tsvelik mostrano gli orientamenti relativi di tre elettroni vicini i cui momenti magnetici puntano ad angolo retto l'uno rispetto all'altro, come la x, si, assi z su un grafico 3D. In un "liquido di spin chirale, " i fisici si aspetterebbero di trovare un tale ordinamento locale tra i momenti magnetici dell'elettrone, e solo uno dei due possibili accordi chirali, senza un preciso ordine globale. Credito:Brookhaven National Laboratory
In un liquido di spin chirale, però, gli scienziati non stanno cercando un ordine magnetico così a lungo raggio. Invece stanno cercando un particolare tipo di ordine magnetico locale tra gruppi di tre elettroni vicini.
"Ciò che vogliamo è una disposizione in cui tre momenti magnetici vicini formano una triade con i loro orientamenti fissi l'uno rispetto all'altro, ma non c'è un orientamento globale, " disse Tsvelik. Usa la mano destra per mostrare i relativi orientamenti, con il pollice e l'indice che formano una L e il dito medio che punta dritto fuori dal palmo, tutti ad angolo retto l'uno rispetto all'altro, come la x, si, assi z su un grafico tridimensionale.
Usare una mano è un sostegno appropriato perché dimostra facilmente che una disposizione speculare può essere ottenuta usando la mano sinistra invece della destra. Queste due diverse disposizioni sono esempi di chiralità positiva e negativa, una parola che fisici e chimici usano per descrivere la "mano" delle strutture tridimensionali. Una volta ordinato, il liquido di spin sceglie spontaneamente una particolare chiralità, ha detto Tsvelik.
Sulla base della loro comprensione delle proprietà dei materiali, gli scienziati hanno predetto quali proprietà dovrebbero avere i liquidi con spin chirale con tali disposizioni, e poi hanno utilizzato calcoli teorici per supportare le loro idee. Il documento include anche la formula chimica di un particolare materiale che vorrebbero che i ricercatori sperimentali esplorassero.
In sostanza, Tsvelik ha detto, il materiale deve essere un metallo stratificato, dove gli spin si trovano in strati ben separati e dove i momenti magnetici localizzati possono coesistere con gli elettroni di conduzione. Deve anche rispondere con forza a un campo magnetico non uniforme con una particolare periodicità, simile al modo in cui le vibrazioni esterne della voce di un cantante d'opera possono frantumare un vetro che vibra alla stessa frequenza di risonanza della nota. Ma non aspettarti che il metallo si frantumi, ha detto Tsvelik.
Cosa possiamo aspettarci se viene scoperto un liquido con spin chirale? Tsvelik non ha previsioni specifiche.
"Se guardi alla storia della scienza, dalla scoperta della meccanica all'elettrone alla scissione dell'atomo, non è mai stata guidata dalle applicazioni. Molte volte le applicazioni alla fine emergono, anche giganti, come quelli che hanno innescato la Rivoluzione Industriale, che scaturì dalle scoperte di Newton. Ma non è questo che guida la scienza, " Egli ha detto.
