In molti materiali, resistenza elettrica e variazione di tensione in presenza di un campo magnetico, di solito varia dolcemente con la rotazione del campo magnetico. Questa semplice risposta magnetica è alla base di molte applicazioni, tra cui il rilevamento della corrente senza contatto, rilevamento del movimento, e memorizzazione dei dati. In un cristallo, il modo in cui la carica e la rotazione dei suoi elettroni si allineano e interagiscono è alla base di questi effetti. Utilizzando la natura dell'allineamento, chiamata simmetria, è un ingrediente chiave nella progettazione di un materiale funzionale per l'elettronica e il campo emergente dell'elettronica basata sullo spin (spintronica).

Recentemente un team di ricercatori del MIT, il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) e l'École Normale Supérieure (ENS) di Lione, Università della California a Santa Barbara (UCSB), la Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), e Centro NIST per la ricerca sui neutroni, guidato da Joseph G. Checkelsky, assistente professore di fisica al MIT, ha scoperto un nuovo tipo di risposta elettrica magneticamente guidata in un cristallo composto da cerio, alluminio, germanio, e silicio.

A temperature inferiori a 5,6 kelvin (corrispondenti a -449,6 gradi Fahrenheit), questi cristalli mostrano un netto miglioramento della resistività elettrica quando il campo magnetico è allineato con precisione entro un angolo di 1 grado lungo la direzione di alta simmetria del cristallo. Questo effetto, che i ricercatori hanno chiamato "magnetoresistenza angolare singolare, " può essere attribuito alla simmetria, in particolare, l'ordinamento dei momenti magnetici degli atomi di cerio. I loro risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Scienza .

Nuova risposta e simmetria

Come un vecchio orologio progettato per suonare alle 12:00 e in nessun'altra posizione delle lancette, la magnetoresistenza appena scoperta si verifica solo quando la direzione, o vettore, del campo magnetico è puntato dritto in linea con l'asse ad alta simmetria nella struttura cristallina del materiale. Sposta il campo magnetico di più di un grado da quell'asse e la resistenza scende precipitosamente.

"Piuttosto che rispondere alle singole componenti del campo magnetico come un materiale tradizionale, qui il materiale risponde alla direzione del vettore assoluto, "dice Takehito Suzuki, un ricercatore del gruppo Checkelsky che ha sintetizzato questi materiali e ha scoperto l'effetto. "Il netto miglioramento osservato, che chiamiamo magnetoresistenza angolare singolare, implica uno stato distinto realizzato solo a quelle condizioni."

La magnetoresistenza è una variazione della resistenza elettrica di un materiale in risposta a un campo magnetico applicato. Un effetto correlato noto come magnetoresistenza gigante è alla base dei moderni dischi rigidi dei computer e i suoi scopritori hanno ricevuto il Premio Nobel nel 2007.

"Il miglioramento osservato è così fortemente confinato con il campo magnetico lungo l'asse cristallino in questo materiale che suggerisce fortemente che la simmetria gioca un ruolo critico, "Lucile Savary, ricercatore permanente CNRS presso ENS de Lyon, aggiunge. Savary è stata Betty and Gordon Moore Postdoctoral Fellow al MIT dal 2014-17, quando il team ha iniziato a collaborare.

Per chiarire il ruolo della simmetria, è fondamentale vedere l'allineamento dei momenti magnetici, per cui Suzuki e Jeffrey Lynn, collega del NIST, ha eseguito studi di diffrazione di neutroni da polvere sullo spettrometro a tre assi BT-7 presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni (NCNR). Il team di ricerca ha utilizzato le capacità di diffrazione dei neutroni del NCNR per determinare la struttura magnetica del materiale, che svolge un ruolo essenziale nella comprensione delle sue proprietà topologiche e della natura dei domini magnetici. Uno "stato topologico" è protetto dal disordine ordinario. Questo è stato un fattore chiave per svelare il meccanismo della risposta singolare.

Sulla base del modello di ordinamento osservato, Savary e Leon Balents, professore e membro permanente del Kavli Institute of Theoretical Physics presso l'UCSB, costruito un modello teorico in cui la rottura spontanea della simmetria causata dall'ordinamento del momento magnetico si accoppia al campo magnetico e alla struttura elettronica topologica. In conseguenza dell'accoppiamento, la commutazione tra gli stati di bassa e alta resistività ordinati in modo uniforme può essere manipolata dal controllo preciso della direzione del campo magnetico.

"L'accordo del modello con i risultati sperimentali è eccezionale ed è stata la chiave per comprendere quella che era una misteriosa osservazione sperimentale, "dice Checkelsky, l'autore senior del documento.

Universalità del fenomeno

"La domanda interessante qui è se la magnetoresistenza angolare singolare possa essere ampiamente osservata nei materiali magnetici e, se questa caratteristica può essere osservata ubiquitariamente, qual è l'ingrediente chiave per ingegnerizzare i materiali con questo effetto, "dice Suzuki.

Il modello teorico indica che la risposta singolare può effettivamente essere trovata in altri materiali e prevede proprietà del materiale utili per realizzare questa caratteristica. Uno degli ingredienti importanti è una struttura elettronica con un numero ridotto di spese gratuite, che si verifica in una struttura elettronica puntiforme denominata nodale. Il materiale in questo studio ha i cosiddetti punti Weyl che raggiungono questo obiettivo. In tali materiali, il momento dell'elettrone consentito dipende dalla configurazione dell'ordine magnetico. Tale controllo dei momenti di queste cariche mediante il grado di libertà magnetico consente al sistema di supportare regioni di interfaccia commutabili in cui i momenti sono disadattati tra domini di diverso ordine magnetico. Questa discrepanza porta anche al grande aumento della resistenza osservato in questo studio.

Questa analisi è ulteriormente supportata dal calcolo della struttura elettronica dei primi principi eseguito da Jianpeng Liu, professore assistente di ricerca presso l'HKUST, e Balenti. Utilizzando elementi magnetici più tradizionali come il ferro o il cobalto, piuttosto che il cerio delle terre rare, può offrire un potenziale percorso verso l'osservazione a temperatura più elevata dell'effetto di magnetoresistenza angolare singolare. Lo studio ha anche escluso un cambiamento nella disposizione degli atomi, chiamata transizione di fase strutturale, come causa della variazione di resistività del materiale a base di cerio.

Kenneth Burch, direttore del corso di laurea e professore associato di fisica al Boston College, il cui laboratorio studia i materiali Weyl, osserva:"La scoperta di una notevole sensibilità all'angolo magnetico è un fenomeno completamente inaspettato in questa nuova classe di materiali. Questo risultato suggerisce non solo nuove applicazioni dei semimetalli Weyl nel rilevamento magnetico, ma l'unico accoppiamento del trasporto elettronico, chiralità e magnetismo." La chiralità è un aspetto degli elettroni correlato al loro spin che dà loro un orientamento sinistro o destrorso.

La scoperta di questo picco di resistenza tagliente ma ristretto potrebbe alla fine essere utilizzata dagli ingegneri come nuovo paradigma per i sensori magnetici. Note Checkelsky, "Una delle cose eccitanti delle scoperte fondamentali nel magnetismo è il potenziale per una rapida adozione di nuove tecnologie. Con i principi di progettazione ora in mano, stiamo gettando una vasta rete per trovare questo fenomeno in sistemi più robusti per sbloccare questo potenziale".