Un team di ricercatori dell'Università tecnica di Monaco di Baviera, l'Istituto Walther-Meissner dell'Accademia bavarese delle scienze e delle scienze umane, e l'Università norvegese di scienza e tecnologia di Trondheim ha scoperto un metodo entusiasmante per controllare lo spin trasportato dalle eccitazioni delle onde di spin quantizzate negli isolanti antiferromagnetici.

Le particelle elementari trasportano un momento angolare intrinseco noto come spin. Per un elettrone, lo spin può assumere solo due valori particolari relativi ad un asse di quantizzazione, permettendoci di denotarli come elettroni spin-up e spin-down. Questa intrinseca bivalutazione dello spin dell'elettrone è al centro di molti effetti affascinanti in fisica.

Nella tecnologia informatica di oggi, lo spin di un elettrone e il relativo momento magnetico sono sfruttati in applicazioni di memorizzazione e lettura di informazioni di supporti magnetici, come dischi rigidi e nastri magnetici.

Antiferromagneti:future stelle nella memorizzazione dei dati magnetici?

Entrambi, i supporti di memorizzazione e i sensori di lettura utilizzano materiali ordinati ferromagneticamente, dove tutti i momenti magnetici sono paralleli. Però, i momenti possono orientarsi in modo più complesso. Negli antiferromagneti, l'antagonista di un ferromagnete, momenti vicini si allineano in modo antiparallelo. Mentre questi sistemi sembrano "non magnetici" dall'esterno, hanno attirato un'ampia attenzione in quanto promettono robustezza contro i campi magnetici esterni e un controllo più rapido. Così, sono considerati i nuovi arrivati ​​per le applicazioni nell'archiviazione magnetica e nell'informatica non convenzionale.

Una domanda importante in questo contesto è, se e come le informazioni possono essere trasportate e rilevate negli antiferromagneti. Ricercatori dell'Università tecnica di Monaco di Baviera, il Walther-Meissner-Institut e l'Università norvegese di scienza e tecnologia di Trondheim hanno studiato l'ematite isolante antiferromagnetico.

In questo sistema, i portatori di carica sono assenti e quindi è un banco di prova particolarmente interessante per lo studio di nuove applicazioni, dove si mira ad evitare la dissipazione da parte di una resistenza elettrica finita. Gli scienziati hanno scoperto un nuovo effetto unico per il trasporto di eccitazioni antiferromagnetiche, che apre nuove possibilità per l'elaborazione delle informazioni con antiferromagneti.

Liberare lo pseudospin negli antiferromagneti

Dott. Matthias Althammer, il ricercatore capo del progetto descrive l'effetto come segue:"Nella fase antiferromagnetica, gli spin vicini sono allineati in modo antiparallelo. Però, ci sono eccitazioni quantizzate chiamate magnon. Questi trasportano informazioni codificate nella loro rotazione e possono propagarsi nel sistema. A causa delle due specie di spin accoppiate in antiparallelo nell'antiferromagnete, l'eccitazione è di natura complessa, però, le sue proprietà possono essere lanciate in una rotazione efficace, uno pseudospin. Potremmo dimostrare sperimentalmente che possiamo manipolare questo pseudospin, e la sua propagazione con un campo magnetico."

Dottor Akashdeep Kamra, il principale teorico della NTNU di Trondheim aggiunge che "questa mappatura delle eccitazioni di un antiferromagnete su uno pseudospin consente una comprensione e un approccio potente che è stato il fondamento cruciale per il trattamento dei fenomeni di trasporto nei sistemi elettronici. Nel nostro caso, questo ci permette di descrivere la dinamica del sistema in maniera molto più semplice, ma mantengono comunque una descrizione quantitativa completa del sistema. Più importante, gli esperimenti forniscono una prova di concetto per lo pseudospin, un concetto che è strettamente correlato alla meccanica quantistica fondamentale."

Sbloccare tutto il potenziale dei magnon antiferromagnetici

Questa prima dimostrazione sperimentale della dinamica dello pseudospin magnon in un isolante antiferromagnetico non solo conferma le congetture teoriche sul trasporto magnon negli antiferromagneti, ma fornisce anche una piattaforma sperimentale per l'espansione verso fenomeni ricchi di ispirazione elettronica.

"Potremmo essere in grado di realizzare cose nuove affascinanti come l'analogo magnon di un isolante topologico in materiali antiferromagnetici", sottolinea Rudolf Gross, direttore del Walther-Meissner-Institut, Professore di Fisica Tecnica (E23) presso l'Università Tecnica di Monaco di Baviera e co-relatore per il cluster di eccellenza Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST). "Il nostro lavoro fornisce una prospettiva entusiasmante per le applicazioni quantistiche basate sui magnoni negli antiferromagneti"