Nell'ultimo decennio, numerosi studi di fisica hanno esplorato come i campi elettrici oscillanti prodotti da laser o sorgenti a microonde possono essere utilizzati per alterare dinamicamente le proprietà dei materiali su richiesta. In un nuovo studio presentato in Fisica della natura , due ricercatori dell'Università di Copenhagen e della Nanyang Technological University (NTU), a Singapore, hanno costruito sui risultati di questi studi, scoprendo un meccanismo attraverso il quale un metallo interagente non magnetico può magnetizzare spontaneamente.

"Recenti esperimenti di nanoplasmonica hanno dimostrato che quando gli elettroni nei sistemi metallici su nanoscala sono eccitati collettivamente, loro possono, infatti, producono da soli campi elettrici oscillanti estremamente intensi, "Mark Rudner, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Alla luce di questa osservazione, abbiamo deciso di scoprire quali nuovi fenomeni potrebbero sorgere quando questi "campi interni" all'interno di un materiale si ritrasmettono per modificare le proprietà del materiale stesso".

I campi interni a cui si riferisce Rudner sono intensi campi elettrici oscillanti che hanno origine da oscillazioni di carica in un metallo, conosciuti come plasmoni. I plasmoni sono spesso usati per confinare la luce su scale di lunghezza molto al di sotto della sua lunghezza d'onda originale su scala nanometrica, oltre a guidarne la propagazione attraverso i dispositivi. Il comportamento dettagliato di un plasmone (ad esempio la frequenza a cui oscilla, la sua chiralità, ecc.) dipende direttamente dalle proprietà di un materiale, come la sua struttura a bande elettronica.

"Tipicamente, si pensa che queste specifiche del materiale siano quantità fisse del materiale scelto; per ottenere un diverso tipo di plasmone si dovrebbe convenzionalmente utilizzare un materiale diverso, " Giustino Canzone, l'altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Ci chiedevamo se ci fosse un modo per aggirare questo vincolo. È importante sottolineare che se i forti campi interni di un plasmone potessero modificare la struttura della banda elettronica di un materiale modificando così le proprietà del materiale, trasformerebbe anche il plasmone, creando un ciclo di feedback che consente al plasmone di assumere nuovi tipi di comportamento".

Una volta che si sono resi conto che i campi interni oscillanti in un materiale eccitato possono cambiare le sue proprietà elettroniche, Rudner e Song si sono proposti di dimostrare questo concetto all'interno della configurazione più semplice possibile. Hanno quindi deciso di studiare dischi di grafene su scala nanometrica, poiché il grafene è un materiale ampiamente disponibile e di alta qualità che ha caratteristiche favorevoli per osservare questo effetto. Usando questa configurazione, hanno dimostrato le condizioni in cui il feedback dai campi interni dei modi collettivi potrebbe innescare un'instabilità verso la magnetizzazione spontanea nel sistema.

"Abbiamo teoricamente analizzato come i plasmoni in un disco di grafene si sono trasformati sotto l'irradiazione polarizzata linearmente e abbiamo scoperto che quando l'intensità della luce era bassa, il plasmone dovrebbe oscillare lungo la stessa direzione della polarizzazione della luce, " Canzone ha spiegato. "Tuttavia, al di sopra di un'intensità critica, la nostra analisi teorica ha indicato che il plasmone può scegliere spontaneamente di ruotare, acquisendo una manualità che non era originariamente presente nel disco metallico né nella luce irradiante. In questo modo, i plasmoni acquisiscono una 'vita separata' (scegliendo spontaneamente una chiralità) distinta sia da quella del materiale che lo ospita (il disco metallico) sia da quella del campo luminoso che lo guida (l'irradiazione linearmente polarizzata)."

Nel loro studio, Rudner e Song hanno dimostrato che le modalità collettive dei sistemi guidati possono talvolta assumere una "vita propria, " esibendo fenomeni di rottura della simmetria unici e spontanei che sono indipendenti dalla fase di equilibrio sottostante. Sebbene i ricercatori abbiano illustrato questo principio utilizzando dischi di grafene su nanoscala, si applica anche ad altri materiali.

"L'osservazione chiave durante lo svolgimento della nostra analisi è stata che, dal punto di vista di un elettrone all'interno di un materiale, un campo elettrico è un campo elettrico:non importa se questo campo oscillante è stato prodotto da un laser che colpisce il materiale dall'esterno (come precedentemente studiato), o collettivamente da tutti gli altri elettroni all'interno del materiale stesso, " Rudner ha detto. "Questo apre un mondo di nuove possibilità in cui i campi interni prodotti dalle eccitazioni collettive nei materiali possono portare a una varietà di nuovi fenomeni".

Come spiegano Rudner e Song, le proprietà dei modi collettivi, come i plasmoni, sono generalmente 'bloccati' al loro materiale ospite. interessante, però, le loro osservazioni dimostrano che i plasmoni possono sfidare questo "blocco" al loro materiale ospite. In altre parole, il loro studio mostra che i plasmoni possono avere fasi distinte dal materiale sottostante che li ospita.

Lo studio condotto da Rudner e Song offre nuove preziose informazioni su come i campi elettrici oscillanti all'interno dei materiali, in particolare metalli non magnetici, possono alterare alcune delle loro proprietà. Finora, i ricercatori si sono concentrati sulle fasi distinte dei plasmoni, ma ora stanno progettando di esaminare altre modalità collettive che potrebbero esibire fenomeni simili di rottura della simmetria.

"Speriamo di vedere le nostre previsioni confermate negli esperimenti nel prossimo futuro, " Rudner ha detto. "A livello teorico, ci sono molte domande fondamentali da esplorare sulla natura della rottura spontanea della simmetria di non equilibrio che abbiamo previsto, così come estensioni ad altri sistemi fisici e tipi di comportamenti. Intendiamo anche indagare sulle possibili applicazioni di questo fenomeno, per esempio in optoelettronica."

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