I materiali magnetici che formano strutture elicoidali, forme a spirale paragonabili a una scala a chiocciola o ai filamenti a doppia elica di una molecola di DNA, mostrano occasionalmente comportamenti esotici che potrebbero migliorare l'elaborazione delle informazioni nei dischi rigidi e in altri dispositivi digitali.

Un gruppo di ricerca della Colorado State University sta utilizzando neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE) per studiare uno di questi materiali, Fe3PO7. Sebbene le strutture elicoidali siano tipicamente formate da momenti magnetici che si avvolgono attorno a un asse in una direzione prestabilita, i ricercatori hanno scoperto che Fe3PO7 non sceglie una direzione particolare e consente la formazione solo di strutture elicoidali a corto raggio. Queste strutture possono fornire nuove capacità tecnologiche.

"Poiché la direzione dell'elica varia nello spazio, ha quello che chiamiamo un ordine parziale, il che significa che non esiste una direzione impostata per l'asse elicoidale verso il punto, " ha detto l'assistente professoressa Kate Ross, che è anche un ex presidente del gruppo utenti SNS-HFIR di ORNL.

Determinando la struttura magnetica di Fe3PO7 utilizzando lo strumento diffrattometro a quattro cerchi, beamline HB-3A al reattore isotopico ad alto flusso di ORNL (HFIR), i ricercatori sperano di identificare i fattori sottostanti che contribuiscono a questa insolita struttura magnetica elicoidale. I neutroni hanno il loro "spin" (un momento intrinseco), rendendoli sensibili al magnetismo all'interno dei materiali, il che significa che sono lo strumento ideale per il compito.

Il piccolo campione di cristallo del team è antiferromagnetico, il che significa che ogni spin sul reticolo atomico tenta di guardare nella direzione opposta rispetto allo spin vicino. Però, Fe3PO7 forma un reticolo basato su unità triangolari che rende impossibile questa disposizione, con conseguente deadlock atomico chiamato "frustrazione". Queste qualità chiave possono informare l'indagine del team sulla struttura magnetica non convenzionale.

"Pensiamo che ci sia un'eccitante possibilità che potrebbe potenzialmente spiegare l'ordine elicoidale parziale di questo materiale e le correlazioni a corto raggio, entrambi sono insoliti da vedere in un materiale allo stato solido, " ha detto Rossi.

Questo fenomeno potrebbe essere causato da regioni contorte di magnetizzazione chiamate "skyrmioni" che interrompono i modelli di spin magnetico. Secondo Rossi, questi antiferromagnetici, difetti "simil-riccio" potrebbero far avanzare il campo della spintronica, che comporta la manipolazione dello spin degli elettroni per migliorare la memorizzazione delle informazioni magnetiche e altre applicazioni.

Dopo aver analizzato i loro dati, i ricercatori hanno in programma di condurre ulteriori studi incentrati sulla dinamica di Fe3PO7 per confermare questo scenario.

Ross ha studiato il magnetismo frustrato fin dai suoi anni universitari, e il soggetto continua ad affascinarla e ad ispirarla ancora oggi. Descrive la sua squadra come esploratori alla ricerca di interessanti fasi magnetiche che spesso arrivano a conclusioni inaspettate.

"Questo è ciò che mi tiene davvero interessato a fare questo tipo di progetti, " ha detto. "Puoi andare in una direzione basata su una buona idea e poi essere deviato per imparare qualcosa di completamente diverso."