Fisici della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) e il Niels Bohr Institute di Copenhagen, Danimarca, hanno ideato un metodo per trasformare un metallo non magnetico in un magnete utilizzando la luce laser.

I magneti e il loro campo magnetico sono tipicamente prodotti da correnti circolanti, come quelli che si trovano nelle bobine elettromagnetiche di tutti i giorni. La "mano" di queste bobine, che siano avvolte in senso orario o antiorario, determina la direzione del campo magnetico prodotto.

Gli scienziati teorizzano che quando i dischi metallici non magnetici sono illuminati da luce polarizzata linearmente, luce che non possiede alcuna manualità propria, le correnti elettriche circolanti e quindi il magnetismo possono emergere spontaneamente nel disco.

Questo metodo potrebbe in linea di principio trasformare i metalli non ferrosi in magneti "su richiesta" utilizzando la luce laser.

La nuova teoria dell'assistente professore Justin Song della School of Physical and Mathematical Sciences della NTU e del professore associato Mark Rudner del Niels Bohr Institute, è stato pubblicato sulla rivista scientifica Fisica della natura all'inizio di questo mese.

Nel formulare la loro proposta, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo modo di pensare all'interazione tra luce e materia. Hanno usato una combinazione di calcoli con carta e matita e simulazioni numeriche per concepirlo.

Il prof. Asst Song ha affermato che il loro schema è un esempio di come nuove interazioni forti luce-materia potrebbero essere utilizzate per creare proprietà dei materiali "su richiesta". Se realizzato sperimentalmente, ciò aprirebbe un'ampia varietà di potenziali applicazioni in una gamma di materiali plasmonici di alta qualità come il grafene.

Sfruttare i campi plasmonici

Le proprietà di molti materiali sono convenzionalmente considerate fisse, determinato dalla disposizione dei suoi atomi su scala nanometrica. Per esempio, la configurazione degli atomi in un materiale determina se conduce facilmente elettricità o ha un comportamento isolante/non conduttivo.

Song e Rudner volevano esplorare come i plasmoni - oscillazioni locali di carica nei metalli - e gli intensi campi elettrici oscillanti che creano, può essere utilizzato per alterare le proprietà del materiale.

Come il modo in cui la luce è composta da fotoni, l'oscillazione del plasma è costituita da plasmoni, un tipo di quasiparticella. I plasmoni tendono ad oscillare e a muoversi nella stessa direzione del campo che li guida (ad esempio, la direzione di polarizzazione del campo luminoso).

Però, gli scienziati hanno scoperto che quando l'irradiazione luminosa è abbastanza forte, i plasmoni in un disco metallico non magnetico possono ruotare spontaneamente sia in modo sinistrorso che destrorso, anche quando guidato da luce polarizzata linearmente.

"Questa era una firma che le proprietà intrinseche del materiale erano state alterate, ", ha affermato il prof. Asst Song. "Abbiamo scoperto che quando i forti campi interni di un plasmone modificano la struttura della banda elettronica di un materiale, trasformerebbe anche il plasmone, creando un ciclo di feedback che consente al plasmone di esibire spontaneamente una chiralità".

Questo moto chirale del plasmone ha prodotto una magnetizzazione che ha poi reso il disco metallico non magnetico del loro schema, magnetico.

Gli scienziati affermano che l'osservazione chiave nella loro analisi teorica è che intensi campi elettrici oscillanti plasmonici possono modificare la dinamica degli elettroni nel metallo.

Il Professore Associato Rudner ha detto:"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 plasmoni all'interno del materiale stesso o da un laser che brilla sul materiale".

Song e Rudner hanno utilizzato questa intuizione per dimostrare teoricamente le condizioni in cui il feedback dai campi interni dei plasmoni potrebbe innescare un'instabilità verso la magnetizzazione spontanea nel sistema. Il team si aspetta che questo approccio teorico possa essere realizzato in una gamma di materiali plasmonici di alta qualità come il grafene.

Comportamento emergente

L'idea di usare la luce per alterare le proprietà di un materiale ha recentemente guadagnato molta attenzione scientifica. Però, molti degli esempi pubblicati conferiscono a un materiale proprietà presenti nell'irradiazione luminosa (ad esempio, irradiando un materiale con luce polarizzata circolarmente, un materiale può acquisire una chiralità o manualità) o valorizzare quantitativamente una proprietà che era già presente nel materiale.

Song e la ricerca di Rudner, in contrasto con questi approcci, è andato molto oltre, dicono.

"Abbiamo scoperto che i plasmoni possono acquisire una sorta di 'vita separata' o 'emergenza' con nuove proprietà che non erano presenti né nel metallo che ospita i plasmoni né nel campo di luce che lo guidava, “Asst Prof Song ha aggiunto. Il comportamento del plasmone è stato emergente nel senso che ha rotto le simmetrie intrinseche sia del campo luminoso che del metallo.

Comportamento emergente, dove il tutto è più della somma delle sue parti, sorge quando molte particelle interagiscono tra loro per agire in modo collettivo. È responsabile di una serie di fasi utili della materia come ferromagneti e superconduttori che sono tipicamente controllate dalla temperatura. La ricerca del team estende questa idea ai plasmoni e propone come può essere controllata dall'irradiazione luminosa.

"A un livello più profondo, ci sono molte domande fondamentali da esplorare sulla natura della rottura spontanea della simmetria ("emergenza") di non equilibrio che abbiamo previsto, ", ha affermato il professore associato Rudner.

Asst Prof Song, un borsista della National Research Foundation (NRF) di Singapore, concordato, dicendo "Forse il messaggio più significativo da portare a casa del nostro lavoro è che mostra che i modi collettivi possono esibire nuove fasi distinte. Se il magnetismo plasmonico è possibile, quali altre fasi delle modalità collettive aspettano di essere scoperte?"