Elettricità e magnetismo sono strettamente correlati:le linee elettriche generano un campo magnetico, i magneti rotanti in un generatore producono elettricità. Però, il fenomeno è molto più complicato:anche le proprietà elettriche e magnetiche di alcuni materiali sono accoppiate tra loro. Le proprietà elettriche di alcuni cristalli possono essere influenzate dai campi magnetici e viceversa. In questo caso si parla di "effetto magnetoelettrico". Svolge un importante ruolo tecnologico, ad esempio in alcune tipologie di sensori o nella ricerca di nuovi concetti di memorizzazione dei dati.

È stato studiato un materiale speciale per il quale, a prima vista, non ci si aspetterebbe alcun effetto magnetoelettrico. Ma accurati esperimenti hanno ora dimostrato che l'effetto può essere osservato in questo materiale, funziona solo in modo completamente diverso dal solito. Può essere controllato in modo estremamente sensibile:anche piccoli cambiamenti nella direzione del campo magnetico possono portare le proprietà elettriche del materiale in uno stato completamente diverso.

La simmetria controlla l'accoppiamento

"Se le proprietà elettriche e magnetiche di un cristallo sono accoppiate o meno dipende dalla simmetria interna del cristallo, " afferma il prof. Andrei Pimenov dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. "Se il cristallo ha un alto grado di simmetria, Per esempio, se un lato del cristallo è esattamente l'immagine speculare dell'altro lato, quindi per ragioni teoriche non ci può essere alcun effetto magnetoelettrico."

Questo vale per il cristallo, che è stato ora esaminato in dettaglio:una cosiddetta langasite fatta di lantanio, gallio, silicio e ossigeno, drogato con atomi di olmio. "La struttura cristallina è così simmetrica che in realtà non dovrebbe consentire alcun effetto magnetoelettrico. E nel caso di campi magnetici deboli non c'è infatti alcun accoppiamento con le proprietà elettriche del cristallo, " dice Andrei Pimenov. "Ma se aumentiamo la forza del campo magnetico, accade qualcosa di straordinario:gli atomi di olmio cambiano il loro stato quantico e acquisiscono un momento magnetico. Questo rompe la simmetria interna del cristallo."

Da un punto di vista puramente geometrico, il cristallo è ancora simmetrico, ma bisogna tener conto anche del magnetismo degli atomi, ed è questo che rompe la simmetria. Pertanto la polarizzazione elettrica del cristallo può essere modificata con un campo magnetico. "La polarizzazione è quando le cariche positive e negative nel cristallo vengono spostate un po', l'uno rispetto all'altro, " spiega Pimenov. "Questo sarebbe facile da ottenere con un campo elettrico, ma a causa dell'effetto magnetoelettrico, questo è possibile anche utilizzando un campo magnetico."

non è la forza, è la direzione

Più forte è il campo magnetico, più forte è il suo effetto sulla polarizzazione elettrica. "La relazione tra polarizzazione e intensità del campo magnetico è approssimativamente lineare, che non è niente di insolito, " dice Andrei Pimenov. "Ciò che è notevole, però, è che la relazione tra polarizzazione e direzione del campo magnetico è fortemente non lineare. Se cambi leggermente la direzione del campo magnetico, la polarizzazione può ribaltarsi completamente. Questa è una nuova forma dell'effetto magnetoelettrico, che non era noto prima." Quindi una piccola rotazione può decidere se il campo magnetico può cambiare o meno la polarizzazione elettrica del cristallo.

Possibilità di nuove tecnologie di stoccaggio

"L'effetto magnetoelettrico giocherà un ruolo sempre più importante per diverse applicazioni tecnologiche, " dice Andrei Pimenov. "In un passo successivo, proveremo a cambiare le proprietà magnetiche con un campo elettrico invece di cambiare le proprietà elettriche con un campo magnetico. In linea di principio, questo dovrebbe essere possibile esattamente allo stesso modo."

Se questo riesce, sarebbe un nuovo modo promettente per memorizzare i dati nei solidi. "Nelle memorie magnetiche come i dischi rigidi dei computer, i campi magnetici sono necessari oggi, " Spiega Pimenov. "Sono generati con bobine magnetiche, che richiede una quantità relativamente grande di energia e tempo. Se ci fosse un modo diretto per scambiare le proprietà magnetiche di una memoria a stato solido con un campo elettrico, sarebbe una svolta".