Credito:Università della Tecnologia di Vienna
È molto difficile scattare una foto di un colibrì che sbatte le ali 50 volte al secondo. Il tempo di esposizione deve essere molto più breve della scala temporale caratteristica del battito d'ala, altrimenti vedrai solo una sfocatura colorata. Un problema simile si incontra nella fisica dello stato solido, dove lo scopo è determinare le proprietà magnetiche di un materiale. Il momento magnetico in una certa posizione può cambiare molto rapidamente. Perciò, i ricercatori richiedono metodi di misurazione sufficientemente veloci da risolvere queste fluttuazioni. Con questa idea di base in mente, scienziati della TU Wien (Vienna), in collaborazione con gruppi di ricerca di Würzburg (Germania), è ora riuscito a risolvere un enigma della fisica dello stato solido.
Magnetismo e superconduttività
"Se vuoi capire un materiale, devi capire le sue proprietà magnetiche, " afferma il Prof. Alessandro Toschi dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien. "Non solo ci dicono come reagisce il materiale ai campi magnetici, sono anche strettamente correlati ad altre proprietà del materiale, ad esempio, il suo comportamento elettrico." Le proprietà del materiale magnetico giocano un ruolo particolarmente importante nella ricerca di superconduttori ad alta temperatura.
Però, i ricercatori hanno ripetutamente scoperto che diverse misurazioni del magnetismo di alcuni materiali portano a risultati diversi. "A volte non si ottengono risultati significativi, a volte metodi di misurazione diversi hanno portato a dati contraddittori, " afferma Clemens Watzenböck (Istituto di fisica dello stato solido, TU Vienna). "Ora siamo stati in grado di risolvere questo mistero con calcoli puramente teorici".
La mobilità degli elettroni
Il team di Vienna e Würzburg è stato in grado di dimostrare che la mobilità degli elettroni nel materiale determina quali metodi possono essere utilizzati per misurare le proprietà magnetiche. "La rotazione degli elettroni nel materiale provoca un momento magnetico che fluttua in modo abbastanza spontaneo. Queste fluttuazioni magnetiche sono causate dal movimento naturale degli elettroni. Pertanto, il momento magnetico può essere annullato molto rapidamente anche dal moto degli elettroni, " dice Toschi. "Più velocemente gli elettroni possono muoversi all'interno del materiale, più velocemente possono oscurare il verificarsi di un momento magnetico."
Ciò significa che se c'è un processo nel materiale che rallenta gli elettroni, ad es. forte diffusione con altri elettroni o con gli atomi vibranti del materiale in modo che non possano più muoversi molto velocemente nel cristallo, quindi il corrispondente momento magnetico rimane misurabile molto più a lungo.
"Abbiamo sviluppato un metodo che ci permette di scoprire, attraverso raffinate analisi teoriche e simulazioni numeriche, su cui tipica scala temporale sono schermati i momenti magnetici in un particolare materiale, " spiega Watzenböck. Il momento magnetico può essere misurato solo se si dispone di un metodo di misurazione che produce un risultato su una scala temporale più breve. Se la misurazione richiede più tempo, ottieni solo un risultato medio sfocato, simile a quando fotografi un colibrì con un lungo tempo di esposizione.
Superconduttori di ferro
Il team di ricerca è stato in grado di applicare questo approccio alla classe di materiali particolarmente importante dei superconduttori a base di ferro. "Siamo stati in grado di dimostrare che la scala temporale caratteristica delle fluttuazioni magnetiche in questi superconduttori differisce di un ordine di grandezza a seconda del materiale:varia da circa 3 femtosecondi a circa 30 femtosecondi, " riferisce Clemens Watzenböck.
A volte il momento magnetico cambia direzione velocemente, a volte è più stabile. È importante scegliere tempi sufficientemente brevi per la misurazione - altrimenti, è tutto sfocato. Credito:Università della Tecnologia di Vienna
Questo spiega perché i risultati degli esperimenti sui neutroni anelastici sono facili da interpretare per alcuni materiali e non per altri:la scala temporale di tali esperimenti sui neutroni è di circa 10 femtosecondi. Abbastanza corto per alcuni materiali, ma troppo lungo per gli altri. Se, d'altra parte, vengono utilizzati altri metodi di misurazione, come la spettroscopia a raggi X, che opera su una scala temporale più breve, il momento magnetico di tutti questi materiali dovrebbe rimanere chiaramente visibile.
Il metodo di nuova concezione per calcolare le scale temporali caratteristiche dei materiali può essere applicato non solo alle proprietà magnetiche ma anche ad altre importanti proprietà dei materiali. "Riteniamo che il nostro nuovo metodo sarà molto utile in futuro per pianificare e interpretare correttamente un'ampia varietà di esperimenti spettroscopici, "dice Alessandro Toschi, "Ci sono ancora molte domande aperte in questo campo:con il nostro metodo ora vogliamo comprendere meglio la fisica dei materiali conosciuti e persino facilitare la ricerca di nuovi, materiali migliori, come i superconduttori con alte temperature critiche".
