Il materiale si comporta come se fossero presenti dei monopoli magnetici. Credito:Università della Tecnologia di Vienna
La corrente elettrica viene deviata da un campo magnetico:nei materiali conduttori, questo porta al cosiddetto effetto Hall. Questo effetto viene spesso utilizzato per misurare i campi magnetici. Una scoperta sorprendente è stata fatta ora alla TU Wien, in collaborazione con scienziati del Paul Scherrer Institute (Svizzera), McMater University (Canada), e Rice University (U.S.):un metallo esotico fatto di cerio, bismuto e palladio sono stati esaminati e si è scoperto che il materiale produceva un gigantesco effetto Hall, in totale assenza di qualsiasi campo magnetico. La ragione di questo risultato inaspettato risiede nelle proprietà insolite degli elettroni:si comportano come se nel materiale fossero presenti monopoli magnetici. Queste scoperte sono state ora pubblicate sulla rivista scientifica PNAS .
Una tensione perpendicolare alla corrente
Quando una corrente elettrica scorre attraverso una striscia di metallo, gli elettroni si spostano da un lato all'altro. Se un magnete viene posizionato accanto a questa striscia, una forza agisce sugli elettroni, la cosiddetta forza di Lorentz. Il percorso degli elettroni attraverso la striscia di metallo non è più rettilineo, è leggermente piegato. Perciò, ora ci sono più elettroni su un lato della striscia di metallo che sull'altro, e questo crea una tensione, perpendicolare alla direzione in cui scorre la corrente. Questo è il classico effetto Hall, come è noto da molti anni.
"Misurare la forza dell'effetto Hall è uno dei modi in cui caratterizziamo i materiali nel nostro laboratorio, " afferma la prof.ssa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. "Si può imparare molto sul comportamento degli elettroni allo stato solido da un simile esperimento." Quando Sami Dzsaber, che stava lavorando alla sua tesi nel gruppo di ricerca di Bühler-Paschen, esaminato il materiale Ce 3 Bi 4 Pd 3 , prese molto sul serio il suo compito ed eseguì anche una misurazione senza campo magnetico. "In realtà, questa è un'idea insolita, ma in questo caso è stato il passo decisivo, " dice Silke Bühler-Paschen.
La misurazione ha rivelato che il materiale mostra un effetto Hall anche senza un campo magnetico esterno, e non solo un normale effetto Hall, ma enorme. In materiali normali, un effetto Hall di questa forza può essere prodotto solo con enormi bobine elettromagnetiche. "Quindi abbiamo dovuto rispondere a un'altra domanda, " dice Silke Bühler Paschen. "Se si verifica un effetto Hall senza un campo magnetico esterno, si tratta forse di campi magnetici locali estremamente forti che si verificano su scala microscopica all'interno del materiale, ma non si sente più fuori?"
Le indagini sono state quindi condotte presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera:Con l'aiuto dei muoni, particelle elementari particolarmente adatte allo studio dei fenomeni magnetici, il materiale è stato esaminato più da vicino. Ma si è scoperto che nessun campo magnetico poteva essere rilevato nemmeno su scala microscopica. "Se non c'è campo magnetico, quindi non c'è nemmeno una forza di Lorentz che può agire sugli elettroni nel materiale, ma tuttavia è stato misurato un effetto Hall. È davvero notevole, " dice Silke Bühler-Paschen.
La simmetria è ciò che conta
La spiegazione di questo strano fenomeno risiede nella complicata interazione degli elettroni. "Gli atomi di questo materiale sono disposti secondo simmetrie ben precise, e queste simmetrie determinano la cosiddetta relazione di dispersione, cioè la relazione tra l'energia degli elettroni e la loro quantità di moto. La relazione di dispersione ci dice quanto velocemente un elettrone può muoversi quando ha una certa energia, " dice Bühler-Paschen. "È anche importante notare che non puoi guardare gli elettroni individualmente qui:ci sono forti interazioni quantomeccaniche tra di loro".
Questa complessa interazione si traduce in fenomeni che sembrano matematicamente come se ci fossero monopoli magnetici nel materiale, ad es. solitari poli nord e sud, che non esistono in questa forma in natura. "Ma in realtà ha l'effetto di un campo magnetico molto forte sul movimento degli elettroni, " dice Bühler-Paschen.
L'effetto era già stato previsto teoricamente per materiali più semplici, ma nessuno era stato in grado di dimostrarlo. La svolta è arrivata con l'indagine di una nuova classe di materiali:"Il nostro materiale con la composizione chimica Ce 3 Bi 4 Pd 3 è caratterizzato da un'interazione particolarmente forte tra gli elettroni, " spiega Bühler-Paschen. "Questo è noto come effetto Kondo. Fa sì che questi fittizi monopoli magnetici abbiano esattamente l'energia giusta per influenzare in modo estremamente forte gli elettroni di conduzione nel materiale. Questo è il motivo per cui l'effetto è più di mille volte più grande di quanto previsto in teoria".
Il nuovo gigantesco effetto Hall spontaneo ha del potenziale per le tecnologie quantistiche di prossima generazione. In questo campo, Per esempio, sono importanti gli elementi non reciproci che producono una diffusione dipendente dalla direzione interamente senza un campo magnetico esterno; potrebbero essere realizzati con questo effetto. "Anche il comportamento estremamente non lineare del materiale è di grande interesse, " afferma Silke Bühler-Paschen. "Il fatto che fenomeni complessi a molte particelle nei solidi diano luogo a possibilità di applicazione inaspettate rende questo campo di ricerca particolarmente interessante".
