Questo cristallo "semimetallico" è costituito da celle unitarie ripetitive come quella a sinistra, che ha un piano quadrato e lati rettangolari. Le sfere rappresentano il silicio (viola), alluminio (turchese), e — in oro — atomi di neodimio (Nd), gli ultimi dei quali sono magnetici. La comprensione delle speciali proprietà magnetiche del materiale richiede nove di queste celle unitarie, mostrato come il blocco più grande a destra (che ha un'unità singola cella delineata in rosso). Questo blocco 3x3 mostra gli elettroni verdi "Weyl" che viaggiano diagonalmente attraverso la parte superiore delle celle e influenzano l'orientamento dello spin magnetico degli atomi di Nd. Una proprietà speciale dell'elettrone di Weyl è il bloccaggio della sua direzione di spin, che punta parallela o antiparallela alla direzione del suo moto, come rappresentato dalle piccole frecce negli elettroni Weyl. Poiché questi elettroni viaggiano lungo i quattro atomi di Nd d'oro, le rotazioni Nd si riorientano in una "spirale di rotazione" che può essere immaginata come puntata successivamente nella direzione delle 12 (più vicino allo spettatore con la freccia rossa rivolta verso l'alto), ore 4 (freccia blu), 8 (anche in blu) e ancora 12 (più lontano dallo spettatore e ancora in rosso). Linee di atomi di Nd si estendono attraverso molti strati del cristallo, offrendo molti esempi di questo insolito schema magnetico. Credito:N. Hanacek/NIST
Una forma esotica di magnetismo è stata scoperta e collegata a un tipo altrettanto esotico di elettroni, secondo gli scienziati che hanno analizzato un nuovo cristallo in cui appaiono al National Institute of Standards and Technology (NIST). Il magnetismo è creato e protetto dalla struttura elettronica unica del cristallo, offrendo un meccanismo che potrebbe essere sfruttato per veloci, robusti dispositivi di memorizzazione delle informazioni.
Il materiale appena inventato ha una struttura insolita che conduce elettricità ma fa sì che gli elettroni in movimento si comportino come particelle prive di massa, il cui magnetismo è legato alla direzione del loro moto. In altri materiali, tali elettroni Weyl hanno suscitato nuovi comportamenti legati alla conduttività elettrica. In questo caso, però, gli elettroni promuovono la formazione spontanea di una spirale magnetica.
"La nostra ricerca mostra un raro esempio di queste particelle che guidano il magnetismo collettivo, " disse Collin Broholm, un fisico della Johns Hopkins University che ha guidato il lavoro sperimentale presso il NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Il nostro esperimento illustra una forma unica di magnetismo che può derivare dagli elettroni Weyl".
Le scoperte, che appaiono in Materiali della natura , rivelano una complessa relazione tra il materiale, gli elettroni che lo attraversano come corrente e il magnetismo che il materiale esibisce.
In un magnete da frigorifero, a volte immaginiamo che ciascuno dei suoi atomi di ferro abbia un magnete a barra che lo perfora con il suo polo "nord" che punta in una certa direzione. Questa immagine si riferisce agli orientamenti di spin degli atomi, che si allineano in parallelo. Il materiale studiato dal team è diverso. È un "semimetallo" fatto di silicio e dei metalli alluminio e neodimio. Insieme questi tre elementi formano un cristallo, il che implica che i suoi atomi componenti siano disposti in uno schema ripetitivo regolare. Però, è un cristallo che rompe la simmetria di inversione, il che significa che il modello ripetuto è diverso su un lato delle celle unitarie di un cristallo, il più piccolo elemento costitutivo di un reticolo cristallino, rispetto all'altro. Questa disposizione stabilizza gli elettroni che fluiscono attraverso il cristallo, che a loro volta determinano un comportamento insolito nel suo magnetismo.
La stabilità degli elettroni si manifesta come un'uniformità nella direzione dei loro spin. Nella maggior parte dei materiali che conducono elettricità, come filo di rame, gli elettroni che fluiscono attraverso il filo hanno spin che puntano in direzioni casuali. Non così nel semimetallo, la cui simmetria rotta trasforma gli elettroni che fluiscono in elettroni Weyl i cui spin sono orientati nella direzione di viaggio dell'elettrone o nella direzione esattamente opposta. È questo blocco degli spin degli elettroni di Weyl nella loro direzione di movimento, il loro momento, che provoca il raro comportamento magnetico del semimetallo.
I tre tipi di atomi del materiale conducono tutti elettricità, fornendo pietre miliari per gli elettroni mentre saltano da un atomo all'altro. Però, solo gli atomi di neodimio (Nd) mostrano magnetismo. Sono suscettibili all'influenza degli elettroni Weyl, che spingono l'atomo di Nd a girare in modo curioso. Guarda lungo qualsiasi fila di atomi di Nd che si estende in diagonale attraverso il semimetallo, e vedrai a cosa si riferisce il team di ricerca come una "spirale di rotazione".
"Un modo semplificato per immaginarlo è lo spin del primo atomo di Nd a ore 12, poi la prossima alle 4, poi il terzo alle 8, " Broholm ha detto. "Quindi lo schema si ripete. Questa bellissima "struttura" di spin è guidata dagli elettroni Weyl mentre visitano gli atomi di Nd vicini".
Ci è voluta una collaborazione tra molti gruppi all'interno dell'Institute for Quantum Matter della Johns Hopkins University per rivelare il magnetismo speciale che sorge nel cristallo. Comprendeva gruppi che lavoravano sulla sintesi dei cristalli, calcoli numerici sofisticati ed esperimenti di diffusione di neutroni.
"Per la diffusione dei neutroni, abbiamo grandemente beneficiato dell'ampia quantità di tempo del raggio di diffrazione di neutroni che era a nostra disposizione presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni, " ha detto Jonathan Gaudet, uno dei coautori del documento. "Senza il tempo del raggio, ci saremmo persi questa bellissima nuova fisica."
Ogni anello della spirale di spin è lungo circa 150 nanometri, e le spirali appaiono solo a temperature fredde inferiori a 7 K. Broholm ha detto che ci sono materiali con proprietà fisiche simili che funzionano a temperatura ambiente, e che potrebbero essere sfruttati per creare dispositivi di memoria magnetica efficienti.
"La tecnologia di memoria magnetica come i dischi rigidi di solito richiede la creazione di un campo magnetico affinché funzionino, " ha detto. "Con questa classe di materiali, è possibile memorizzare informazioni senza dover applicare o rilevare un campo magnetico. Leggere e scrivere le informazioni elettricamente è più veloce e più robusto."
Comprendere gli effetti che gli elettroni di Weyl guidano potrebbe anche far luce su altri materiali che hanno portato costernazione ai fisici.
"Fondamentalmente, potremmo essere in grado di creare una varietà di materiali con diverse caratteristiche di rotazione interna, e forse l'abbiamo già fatto, " Broholm ha detto. "Come comunità, abbiamo creato molte strutture magnetiche che non comprendiamo immediatamente. Avendo visto il carattere speciale del magnetismo mediato da Weyl, potremmo finalmente essere in grado di comprendere e utilizzare tali strutture magnetiche esotiche."
