Un team di ricercatori, affiliato con l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) della Corea del Sud ha dimostrato la possibilità di indurre e controllare una risposta magnetica in un materiale a strati non magnetici attraverso l'eccitazione selettiva di vibrazioni specifiche del materiale.

Un gruppo di ricerca, affiliato all'UNIST ha recentemente dimostrato la possibilità di indurre e controllare una risposta magnetica in uno strato di materiale non magnetico attraverso l'eccitazione selettiva di vibrazioni specifiche del materiale, utilizzando strumenti di simulazione teorica all'avanguardia.

Questa svolta è stata guidata dal professor Noejung Park della School of Natural Science in collaborazione con ricercatori del Dipartimento di teoria dell'MPSD (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter) e CFEL di Amburgo. Nello studio, il team di ricerca ha dimostrato che i fononi polarizzati circolarmente producono uno stato di spin dinamico dipendente dalla valle come risultato di un forte accoppiamento spin-fonone, che può essere sviluppato come veicolo per applicazioni di calcolo quantistico o spintronica. I risultati di questo studio sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura il 12 febbraio 2018.

Nella vita di tutti i giorni, sperimentiamo e utilizziamo molte proprietà dei materiali:dai conduttori/isolanti elettrici e termici alla micro/nanoelettronica, telecomunicazioni, informatica, sensori, conversione energetica e materiali su misura con specifiche meccaniche, proprietà ottiche e magnetiche, per dirne alcuni. microscopicamente, questi materiali sono costituiti da elettroni e nuclei, e le loro proprietà possono essere principalmente attribuite alla disposizione quantomeccanica degli elettroni. Anche se il nucleo atomico può essere specificato anche dalle sue particelle costituenti, come protoni e neutroni, la struttura interna del nucleo, nella maggior parte dei casi, non ha alcun ruolo nel determinare le proprietà del materiale. Anziché, i nuclei si manifestano chiaramente attraverso la loro vibrazione. La forma e la grandezza delle vibrazioni, che è specificamente chiamato fonone, sono un altro fattore dominante che determina le proprietà del materiale oltre alla carica e allo spin degli elettroni.

Oggigiorno i ricercatori si sono concentrati sulle strutture elementari dei materiali con l'obiettivo di miniaturizzare unità magnetiche o dispositivi elettronici. Grafene, il singolo strato di carbonio, e il monostrato di dicalcogenuro di metallo di transizione (TMDC) sono ottimi esempi in questa prospettiva. Se gli spin in questi materiali bidimensionali (2-D) possono essere allineati per formare un magnete o quanto sensibilmente sono influenzati dai fononi è rimasta una questione importante. Nel loro studio, prendendo MoS2 e anche altri TMDC come materiale campione, il team di ricerca ha studiato come la struttura di spin può essere modificata dalla presenza di un fonone. Ampi calcoli di supercalcolo delle equazioni della meccanica quantistica hanno mostrato che, quando un materiale ha un forte accoppiamento tra lo spin e lo stato orbitale dei suoi elettroni, un particolare fonone può derivare una dinamica di spin in modo simile a un campo magnetico rotante.

Questo effetto si basa su un concetto fondamentale della fisica teorica chiamato rottura di simmetria. Soprattutto nei cristalli le simmetrie delle disposizioni degli atomi giocano un ruolo decisivo, e romperne uno spesso porta cambiamenti drammatici nelle proprietà del materiale. La simmetria di un sistema non riguarda solo lo spazio, ma può anche essere prorogato nel tempo. In quella che viene chiamata simmetria di inversione temporale, la fisica osservata sarebbe la stessa se andiamo avanti o indietro nel tempo. Per esempio, in un video di due palle da biliardo che si scontrano, non puoi dire se il video sta andando avanti o indietro a causa della simmetria. Però, in presenza di un campo magnetico, il moto degli elettroni non può essere ingannato in questo modo perché il suo stato di avanzamento non è più simmetrico a quello di arretramento.

Invece di un campo magnetico, molti ricercatori hanno recentemente utilizzato un fotone polarizzato circolarmente, o uno stato di luce rotante, rompere la simmetria di inversione temporale. Nel loro studio, invece di un fotone, usavano il moto rotatorio degli atomi in un cristallo, cioè il fonone circolare, come un nuovo tipo di meccanismo di interruzione dell'inversione del tempo. Il team di ricerca ha dimostrato che tali fononi possono essere paragonati alla presenza del campo magnetico e possono essere utilizzati per la manipolazione rapida di unità magnetiche di materiali elementari 2-D.