Come Bigfoot e il mostro di Loch Ness, le fluttuazioni di spin critiche in un sistema magnetico non sono state catturate su pellicola. A differenza delle creature leggendarie, queste fluttuazioni, che sono modelli di spin degli elettroni altamente correlati, esistono effettivamente, ma sono troppo casuali e turbolenti per essere visti in tempo reale.

Un team di Cornell ha sviluppato una nuova tecnica di imaging che è abbastanza veloce e sensibile da osservare queste fluttuazioni critiche sfuggenti nei magneti bidimensionali. Questa acquisizione di immagini in tempo reale consente ai ricercatori di controllare le fluttuazioni e di cambiare il magnetismo tramite un meccanismo "passivo" che potrebbe portare a dispositivi di memorizzazione magnetica più efficienti dal punto di vista energetico.

Collaborazione radicale

La carta della squadra, "Imaging e controllo delle fluttuazioni critiche nei magneti bidimensionali, " pubblicato l'8 giugno in Materiali della natura .

I co-autori senior del documento sono Kin Fai Mak, professore associato di fisica presso il College of Arts and Sciences, e Jie Shan, professore di fisica applicata e ingegneristica presso la Facoltà di Ingegneria. Entrambi i ricercatori sono membri del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, e sono venuti a Cornell attraverso l'iniziativa Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) del rettore. Il loro laboratorio condiviso è specializzato nella fisica dei materiali quantistici atomicamente sottili.

Le fluttuazioni di magnetizzazione sono considerate "critiche" quando si verificano vicino al punto critico termodinamico, che è il momento in cui una forma di materia passa in una nuova fase, dando luogo a tutti i tipi di fenomeni insoliti. Un tipico esempio è il ferro, che perde le sue proprietà magnetiche se riscaldato a temperature estreme.

In questa regione critica, o regime, le fluttuazioni smettono di comportarsi in modo casuale e diventano invece altamente correlate.

"Se immagini tutte le molecole d'aria correlate, si muovono insieme su una scala molto ampia come il vento, " disse Chenhao Jin, un borsista post-dottorato con il Kavli Institute e l'autore principale del documento. "Questo è ciò che accade quando la fluttuazione diventa correlata. Può portare a effetti drammatici in un sistema e su qualsiasi scala perché la correlazione, in linea di principio, può andare all'infinito. La fluttuazione che stiamo osservando qui è la rotazione, o momento magnetico, fluttuazioni".

Queste fluttuazioni critiche di magnetizzazione sono difficili da vedere perché cambiano costantemente e si verificano in un intervallo di temperatura molto ristretto.

"I fisici hanno studiato la transizione di fase magnetica per molti decenni, e sappiamo che questo fenomeno è più facilmente osservabile in un sistema bidimensionale, " disse Mak. "Cosa c'è di più bidimensionale di un magnete che ha solo un singolo strato di atomi?"

L'osservazione di un segnale da un singolo strato atomico presenta ancora molte sfide. I ricercatori hanno utilizzato un isolante ferromagnetico a strato singolo, bromuro di cromo, che come sistema bidimensionale presenta un regime critico più ampio e fluttuazioni più forti. Per vedere queste fluttuazioni in tempo reale, i ricercatori avevano bisogno di un metodo altrettanto veloce, con un'elevata risoluzione spaziale e capacità di imaging ad ampio campo.

Il team è stato in grado di soddisfare questi criteri utilizzando la luce con uno stato di polarizzazione molto puro per sondare il monostrato e registrare un segnale pulito del momento magnetico, che è la forza e l'orientamento del magnete, mentre effettua le sue fluttuazioni spontanee.

La capacità di catturare questo fenomeno in tempo reale significa che i ricercatori possono controllare le fluttuazioni critiche nel magnete semplicemente applicando una piccola tensione e lasciando che le fluttuazioni si spostino avanti e indietro tra gli stati. Una volta raggiunto lo stato o il valore mirato, la tensione può essere disattivata. Non è necessario alcun campo magnetico per controllare le fluttuazioni perché essenzialmente si guidano da sole. Ciò potrebbe potenzialmente portare alla creazione di dispositivi di memorizzazione magnetici che consumano molta meno energia.

"È un concetto fondamentalmente diverso dal cambio di stato magnetico attivo, perché è totalmente passivo, " Ha detto Mak. "È un passaggio basato sulle informazioni ottenute dalle misurazioni, piuttosto che guidare attivamente il sistema. Quindi è un nuovo concetto che potrebbe potenzialmente risparmiare molta energia".