Più di 100 anni fa, Albert Einstein e Wander Johannes de Haas scoprirono che quando usavano un campo magnetico per capovolgere lo stato magnetico di una sbarra di ferro che penzolava da un filo, la barra cominciò a girare.

Ora gli esperimenti presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno visto per la prima volta cosa succede quando i materiali magnetici vengono smagnetizzati a velocità ultraveloci di milionesimi di miliardesimo di secondo:gli atomi sulla superficie del materiale si muovono, proprio come faceva la sbarra di ferro. Il lavoro, fatto al laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, è stato pubblicato in Natura all'inizio di questo mese.

Christian Dornes, uno scienziato dell'ETH di Zurigo in Svizzera e uno degli autori principali del rapporto, dice che questo esperimento mostra come la smagnetizzazione ultraveloce vada di pari passo con quello che è noto come effetto Einstein-de Haas, risolvere un antico mistero sul campo.

"Ho appreso di questi fenomeni nelle mie classi, ma vedere in prima persona che il trasferimento del momento angolare fa effettivamente muovere qualcosa meccanicamente è davvero bello, "Dice Dornes. "Essere in grado di lavorare su scala atomica in questo modo e vedere in modo relativamente diretto ciò che accade sarebbe stato un sogno totale per i grandi fisici di cento anni fa".

Mare rotante di pattinatori

A scala atomica, un materiale deve il suo magnetismo ai suoi elettroni. In potenti magneti, il magnetismo deriva da una proprietà quantistica degli elettroni chiamata spin. Sebbene lo spin dell'elettrone non implichi una rotazione letterale dell'elettrone, l'elettrone si comporta in qualche modo come una minuscola sfera di carica rotante. Quando la maggior parte degli spin punta nella stessa direzione, come un mare di pattinatori che piroettano all'unisono, il materiale diventa magnetico.

Quando la magnetizzazione del materiale viene invertita con un campo magnetico esterno, la danza sincronizzata dei pattinatori si trasforma in frenesia frenetica, con ballerini che girano in ogni direzione. Il loro momento angolare netto, che è una misura del loro moto di rotazione, scende a zero quando i loro giri si annullano a vicenda. Poiché il momento angolare del materiale deve essere conservato, viene convertito in rotazione meccanica, come dimostrò l'esperimento di Einstein-de Haas.

Gira e grida

Nel 1996, ricercatori hanno scoperto che zapping un materiale magnetico con un intenso, l'impulso laser super veloce lo smagnetizza quasi istantaneamente, su una scala temporale a femtosecondi. È stata una sfida capire cosa succede al momento angolare quando questo si verifica.

In questo documento, i ricercatori hanno utilizzato una nuova tecnica presso LCLS combinata con misurazioni effettuate presso l'ETH di Zurigo per collegare questi due fenomeni. Hanno dimostrato che quando un impulso laser avvia la smagnetizzazione ultraveloce in un sottile film di ferro, la variazione di momento angolare viene rapidamente convertita in un calcio iniziale che porta alla rotazione meccanica degli atomi sulla superficie del campione.

Secondo Dornes, un aspetto importante da questo esperimento è che anche se l'effetto è solo apparente in superficie, accade in tutto il campione. Quando il momento angolare viene trasferito attraverso il materiale, gli atomi nella massa del materiale cercano di torcersi ma si annullano a vicenda. È come se una folla di persone stipate su un treno cercasse di svoltare contemporaneamente. Proprio come solo le persone ai margini avrebbero la libertà di muoversi, solo gli atomi sulla superficie del materiale sono in grado di ruotare.

Raschiare la superficie

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno fatto saltare il film di ferro con impulsi laser per avviare la smagnetizzazione ultraveloce, poi lo sfiorò con intensi raggi X con un angolo così superficiale che era quasi parallelo alla superficie. Hanno usato i modelli formati quando i raggi X si sono dispersi dal film per saperne di più su dove va il momento angolare durante questo processo.

"A causa dell'angolo poco profondo dei raggi X, il nostro esperimento era incredibilmente sensibile ai movimenti lungo la superficie del materiale, "dice Sanghoon Song, uno dei tre scienziati SLAC coinvolti nella ricerca. "Questa è stata la chiave per vedere il movimento meccanico".

Per dare seguito a questi risultati, i ricercatori effettueranno ulteriori esperimenti presso LCLS con campioni più complicati per scoprire con maggiore precisione quanto velocemente e direttamente il momento angolare fuoriesce nella struttura. Ciò che apprendono porterà a modelli migliori di smagnetizzazione ultraveloce, che potrebbe aiutare nello sviluppo di dispositivi a controllo ottico per l'archiviazione dei dati.

Steven Johnson, uno scienziato e professore all'ETH di Zurigo e al Paul Scherrer Institute in Svizzera che ha co-diretto lo studio, afferma che l'esperienza del gruppo in aree al di fuori del magnetismo ha permesso loro di affrontare il problema da una prospettiva diversa, posizionarli meglio per il successo.

"Ci sono stati numerosi tentativi precedenti da parte di altri gruppi di capirlo, ma hanno fallito perché non hanno ottimizzato i loro esperimenti per cercare questi piccoli effetti, " Johnson dice. "Erano sommersi da altri effetti molto più grandi, come il movimento atomico dovuto al calore del laser. Il nostro esperimento era molto più sensibile al tipo di movimento che risulta dal trasferimento del momento angolare".