I ricercatori hanno identificato una nuova forma di magnetismo nel cosiddetto grafene magnetico, che potrebbe indicare la strada verso la comprensione della superconduttività in questo insolito tipo di materiale.

I ricercatori, guidato dall'Università di Cambridge, sono stati in grado di controllare la conduttività e il magnetismo del tiofosfato di ferro (FePS ₃ ), un materiale bidimensionale che subisce una transizione da isolante a metallo quando viene compresso. Questa classe di materiali magnetici offre nuove strade per comprendere la fisica dei nuovi stati magnetici e della superconduttività.

Utilizzando nuove tecniche ad alta pressione, i ricercatori hanno mostrato cosa succede al grafene magnetico durante la transizione da isolante a conduttore e nel suo stato metallico non convenzionale, realizzato solo in condizioni di altissima pressione. Quando il materiale diventa metallico, rimane magnetico, che è contrario ai risultati precedenti e fornisce indizi su come funziona la conduzione elettrica nella fase metallica. La fase magnetica ad alta pressione appena scoperta probabilmente forma un precursore della superconduttività, quindi è fondamentale comprenderne i meccanismi.

I loro risultati, pubblicato sulla rivista Revisione fisica X , suggeriscono anche un modo in cui nuovi materiali potrebbero essere progettati per avere proprietà combinate di conduzione e magnetiche, che potrebbero essere utili nello sviluppo di nuove tecnologie come la spintronica, che potrebbe trasformare il modo in cui i computer elaborano le informazioni.

Le proprietà della materia possono alterarsi drasticamente con il cambiamento della dimensionalità. Per esempio, grafene, nanotubi di carbonio, grafite e diamante sono tutti fatti di atomi di carbonio, ma hanno proprietà molto diverse a causa della loro diversa struttura e dimensionalità.

"Ma immagina se tu fossi anche in grado di cambiare tutte queste proprietà aggiungendo magnetismo, " ha detto il primo autore Dr. Matthew Coak, che ha sede congiuntamente al Cavendish Laboratory di Cambridge e all'Università di Warwick. "Un materiale che potrebbe essere meccanicamente flessibile e formare un nuovo tipo di circuito per memorizzare informazioni ed eseguire calcoli. Ecco perché questi materiali sono così interessanti, e perché cambiano drasticamente le loro proprietà quando vengono messi sotto pressione in modo che possiamo controllare il loro comportamento".

In un precedente studio di Sebastian Haines del Cavendish Laboratory di Cambridge e del Dipartimento di Scienze della Terra, i ricercatori hanno stabilito che il materiale diventa un metallo ad alta pressione, e ha delineato come la struttura cristallina e la disposizione degli atomi negli strati di questo materiale 2-D cambiano durante la transizione.

"Il pezzo mancante è rimasto però, il magnetismo, " ha detto Coak. "Senza tecniche sperimentali in grado di sondare le firme del magnetismo in questo materiale a pressioni così elevate, il nostro team internazionale ha dovuto sviluppare e testare le nostre nuove tecniche per renderlo possibile."

I ricercatori hanno utilizzato nuove tecniche per misurare la struttura magnetica fino ad alte pressioni da record, utilizzando incudini e neutroni di diamante appositamente progettati per agire come sonda del magnetismo. Sono stati quindi in grado di seguire l'evoluzione del magnetismo nello stato metallico.

"Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che il magnetismo sopravvive ed è in qualche modo rafforzato, " co-autore Dr. Siddharth Saxena, capogruppo presso il Laboratorio Cavendish. "Questo è inaspettato, poiché gli elettroni appena liberi in un nuovo materiale conduttore non possono più essere agganciati ai loro atomi di ferro genitori, generando momenti magnetici lì, a meno che la conduzione non provenga da una fonte inaspettata."

Nel loro precedente articolo, i ricercatori hanno mostrato che questi elettroni erano "congelati" in un certo senso. Ma quando li hanno fatti fluire o muovere, hanno iniziato a interagire sempre di più. Il magnetismo sopravvive, ma viene modificato in nuove forme, dando origine a nuove proprietà quantistiche in un nuovo tipo di metallo magnetico.

Come si comporta un materiale, se conduttore o isolante, si basa principalmente su come gli elettroni, o carica, muoversi. Però, lo 'spin' degli elettroni ha dimostrato di essere la fonte del magnetismo. Lo spin fa sì che gli elettroni si comportino un po' come minuscole barre magnetiche e puntino in un certo modo. Il magnetismo dalla disposizione degli spin degli elettroni è utilizzato nella maggior parte dei dispositivi di memoria:sfruttarlo e controllarlo è importante per lo sviluppo di nuove tecnologie come la spintronica, che potrebbe trasformare il modo in cui i computer elaborano le informazioni.

"La combinazione dei due, la carica e la rotazione, è la chiave del comportamento di questo materiale, " ha detto il co-autore Dr. David Jarvis dell'Institut Laue-Langevin, Francia, che ha svolto questo lavoro come base del suo dottorato di ricerca. studi presso il Laboratorio Cavendish. "Trovare questo tipo di multifunzionalità quantistica è un altro passo avanti nello studio di questi materiali".

"Non sappiamo esattamente cosa sta succedendo a livello quantico, ma allo stesso tempo, possiamo manipolarlo, ", ha detto Saxena. "È come quelle famose "incognite sconosciute":abbiamo aperto una nuova porta alle proprietà dell'informazione quantistica, ma non sappiamo ancora quali potrebbero essere queste proprietà".

Ci sono più potenziali composti chimici da sintetizzare di quanti potrebbero mai essere completamente esplorati e caratterizzati. Ma selezionando e mettendo a punto accuratamente materiali con proprietà speciali, è possibile indicare la strada verso la creazione di composti e sistemi, ma senza dover applicare enormi quantità di pressione.

Inoltre, acquisire una comprensione fondamentale di fenomeni come il magnetismo a bassa dimensione e la superconduttività consente ai ricercatori di fare i prossimi passi avanti nella scienza e nell'ingegneria dei materiali, con particolari potenzialità in termini di efficienza energetica, generazione e conservazione.

Per quanto riguarda il caso del grafene magnetico, i ricercatori hanno in programma di continuare la ricerca della superconduttività all'interno di questo materiale unico. "Ora che abbiamo un'idea di cosa succede a questo materiale ad alta pressione, possiamo fare alcune previsioni su cosa potrebbe accadere se proviamo a sintonizzare le sue proprietà aggiungendo elettroni liberi comprimendolo ulteriormente, " ha detto Cocco.

"La cosa che stiamo inseguendo è la superconduttività, " disse Saxena. "Se riusciamo a trovare un tipo di superconduttività che è legato al magnetismo in un materiale bidimensionale, potrebbe darci una possibilità di risolvere un problema che risale a decenni fa".