Nel 1966, Il fisico giapponese Yosuke Nagaoka predisse l'esistenza di un fenomeno piuttosto sorprendente:il ferromagnetismo di Nagaoka. La sua teoria rigorosa spiega come i materiali possono diventare magnetici, con un avvertimento:le condizioni specifiche che ha descritto non sorgono naturalmente in nessun materiale. Ricercatori di QuTech, una collaborazione tra TU Delft e TNO, hanno ora osservato le firme sperimentali del ferromagnetismo di Nagaoka utilizzando un sistema quantistico ingegnerizzato. I risultati sono stati pubblicati oggi in Natura .

Magneti familiari come quelli del frigorifero sono un esempio quotidiano di un fenomeno chiamato ferromagnetismo. Ogni elettrone ha una proprietà chiamata "spin", che lo fa comportare come un minuscolo magnete stesso. In un ferromagnete, gli spin di molti elettroni si allineano, combinandosi in un unico grande campo magnetico. Mi sembra un concetto semplice, ma Nagaoka predisse un nuovo e sorprendente meccanismo attraverso il quale poteva verificarsi il ferromagnetismo, uno che non era mai stato osservato in nessun sistema prima.

Puzzle del bambino

"Per capire la previsione di Nagaoka, immagina il semplice gioco meccanico per bambini chiamato puzzle scorrevole, " ha detto JP Dehollain, che ha eseguito gli esperimenti insieme a Uditendu Mukhopadhyay. "Questo puzzle consiste in una griglia di tessere quattro per quattro, con un unico slot vuoto per consentire alle tessere di scorrere per risolvere il puzzle. Prossimo, pensa al magnete di Nagaoka come a un reticolo quadrato bidimensionale simile, dove ogni tessera è un elettrone. Gli elettroni poi si comportano come le tessere del gioco dei bambini, mischiando nel reticolo."

Se gli spin degli elettroni non sono allineati (cioè ogni tessera ha una freccia che punta in una direzione diversa nella nostra analogia), allora gli elettroni formeranno una disposizione diversa dopo ogni mescolamento. In contrasto, se tutti gli elettroni sono allineati (tutte le tessere hanno frecce che puntano nella stessa direzione), il puzzle rimane sempre lo stesso, non importa come vengono mescolati gli elettroni. "Nagaoka ha scoperto che l'allineamento degli spin degli elettroni si traduce in una minore energia del sistema, " Disse Dehollain. "Di conseguenza, il sistema di un reticolo quadrato 2-D che ha un elettrone mancante preferirà naturalmente essere in uno stato in cui tutti gli spin degli elettroni sono allineati, uno stato ferromagnetico di Nagaoka".

Magnete fai da te

I ricercatori hanno osservato, per la prima volta in assoluto, firme sperimentali del ferromagnetismo di Nagaoka. Mukhopadhyay:"Abbiamo raggiunto questo obiettivo progettando un dispositivo elettronico con la capacità di "intrappolare" singoli elettroni. Questi cosiddetti dispositivi a punti quantici sono stati utilizzati negli esperimenti scientifici per un po' di tempo, ma la nostra sfida era creare un reticolo 2-D di quattro punti quantici altamente controllabile. Per far funzionare questi dispositivi, dobbiamo costruire un circuito elettrico su scala nanometrica, raffreddare fino quasi allo zero assoluto (-272,99°C), e misurare piccoli segnali elettrici."

"Il nostro passo successivo è stato quello di intrappolare tre elettroni e consentire loro di muoversi all'interno del reticolo due per due, creando le condizioni specifiche richieste per il ferromagnetismo di Nagaoka, " ha detto Mukhopadhyay. "Abbiamo quindi dovuto dimostrare che questo reticolo si comporta davvero come un magnete. Il campo magnetico generato da tre elettroni è troppo piccolo per essere rilevato con metodi convenzionali, così invece abbiamo usato un sensore elettrico molto sensibile che poteva 'decifrare' l'orientamento di spin degli elettroni e convertirlo in un segnale elettrico che potevamo misurare in laboratorio. In questo modo siamo stati in grado di determinare se gli spin degli elettroni erano allineati o meno come previsto".

Il puzzle risolto

"I risultati sono stati chiarissimi:abbiamo dimostrato il ferromagnetismo di Nagaoka, " ha detto Lieven Vandersypen, investigatore capo e co-direttore del Kavli Institute of Nanoscience. "Quando abbiamo iniziato a lavorare a questo progetto, Non ero sicuro che l'esperimento sarebbe stato possibile, perché la fisica è così diversa da qualsiasi altra cosa che abbiamo mai studiato nel nostro laboratorio. Ma il nostro team è riuscito a creare le giuste condizioni sperimentali per il ferromagnetismo di Nagaoka, e abbiamo dimostrato la robustezza del sistema di punti quantici".

Mentre questo sistema su piccola scala è lontano dall'avere implicazioni nella vita di tutti i giorni, è una pietra miliare importante verso la realizzazione di sistemi su larga scala come computer quantistici e simulatori quantistici. Vandersypen:"Tali sistemi consentono lo studio di problemi troppo complessi per essere risolti con il supercomputer più avanzato di oggi, ad esempio processi chimici complessi. Esperimenti di prova di principio, come la realizzazione del ferromagnetismo di Nagaoka, fornire indicazioni importanti per lo sviluppo di computer quantistici e simulatori del futuro".