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I ricercatori della Northeastern hanno scoperto un nuovo fenomeno quantistico in una specifica classe di materiali, chiamati isolanti antiferromagnetici, che potrebbe produrre nuovi modi di alimentare "spintronic" e altri dispositivi tecnologici del futuro.
La scoperta illumina "come il calore scorre in un isolante magnetico, [e] come [i ricercatori] possono rilevare quel flusso di calore", afferma Gregory Fiete, professore di fisica alla Northeastern e coautore della ricerca. I nuovi effetti, pubblicati su Nature Physics questa settimana e dimostrati sperimentalmente, sono stati osservati combinando la ferrite di lantanio (LaFeO3 ) con uno strato di platino o tungsteno.
"Quell'accoppiamento a strati è ciò che è responsabile del fenomeno", afferma Arun Bansil, illustre professore universitario presso il Dipartimento di Fisica del Northeastern, che ha anche preso parte allo studio.
La scoperta potrebbe avere numerose potenziali applicazioni, come il miglioramento dei sensori di calore, il riciclaggio del calore di scarto e altre tecnologie termoelettriche, afferma Bansil. Questo fenomeno potrebbe persino portare allo sviluppo di una nuova fonte di energia per queste e altre tecnologie in erba. Hanno partecipato alla ricerca lo studente laureato nord-orientale Matt Matzelle e Bernardo Barbiellini, fisico computazionale e teorico presso la Lappeenranta University of Technology, attualmente in visita a nord-est.
Illustrare le scoperte dei team richiede un notevole ingrandimento (letteralmente) per osservare il mondo delle particelle su scala atomica, in particolare le nanovite degli elettroni. Richiede anche la comprensione di diverse proprietà degli elettroni:che possiedono qualcosa chiamato "spin", hanno una carica e possono, quando si muovono attraverso un materiale, generare flusso di calore.
Lo spin dell'elettrone, o momento angolare, descrive una proprietà fondamentale degli elettroni definita in uno dei due stati potenziali:alto o basso. Esistono molti modi diversi in cui questi giri "su o giù" degli elettroni (considerati anche poli nord-sud) si orientano nello spazio, il che a sua volta dà origine a diversi tipi di magnetismo. Tutto dipende, dice Bansil, dal modo in cui gli atomi sono modellati in un determinato materiale.
In un sistema magnetico, tipicamente gli spin in quel materiale si sono allineati nella stessa direzione. Quella disposizione degli elettroni nei cristalli magnetici (o "ferromagnetici") è ciò che produce quella forza che attrae o respinge altri cristalli. Molti materiali magnetici conducono anche elettricità quando gli elettroni sono in grado di attraversarli. Questi materiali sono chiamati conduttori, poiché sono in grado di condurre elettricità.
Oltre a generare una corrente elettrica, il movimento degli elettroni attraverso un materiale trasporta anche una corrente di calore. Quando un campo elettromagnetico esterno viene applicato a materiali che conducono elettricità, ne risulta una corrente di calore.
"Il calore è solo quando questi elettroni oscillano più velocemente o più lentamente, quindi, di conseguenza, possono trasportare più o meno energia termica", afferma Bansil.
Di solito la corrente di rotazione scorre nella stessa direzione della corrente di calore, dice Bansil. Ma, nei materiali specifici utilizzati in questo studio, "scorre perpendicolarmente alla direzione della corrente di calore".
"Questo è ciò che è nuovo qui", dice Bansil.
È questa interazione "inaspettata" che apre le porte a nuovi modi di pensare alla generazione di energia.
"Quello che vogliamo fare è creare una corrente di magnetismo che generi energia elettrica e il modo in cui lo fai è generare una tensione", afferma Fiete.
Per fare ciò, i ricercatori hanno combinato il materiale isolante antiferromagnetico (qui LaFeO3) con un altro elemento più pesante, come il platino o il tungsteno, che sono conduttori. L'accoppiamento sbilancia leggermente gli elettroni.
"Questo particolare materiale ha gli spin che, sugli atomi vicini più vicini, sono quasi perfettamente antiorientati", dice Fiete, "il che significa che sono un po' inclinati. Non sono perfettamente antiorientati, lo sono principalmente, ma c'è una piccola svolta. E quel piccolo offset è in realtà molto importante, perché fa parte di ciò che dà origine agli effetti interessanti che vediamo nel progetto."
Questo è ciò che dà il nome a questa particolare classe di materiali:Antiferromagnet inclinato.
Una classe emergente di dispositivi elettronici, la cosiddetta "spintronica", si basa sulla manipolazione dello spin degli elettroni con l'obiettivo di migliorare le capacità di elaborazione delle informazioni nelle tecnologie future. Un altro campo correlato, chiamato spin caloritronics, si concentra su "come si converte il flusso di calore nel flusso del magnetismo, o flusso di spin, e infine in una tensione", afferma Fiete.
"La fisica quantistica dei materiali è di particolare interesse perché si collega direttamente con molte tecnologie:tecnologie nell'informatica quantistica, nel rilevamento quantistico e nelle comunicazioni quantistiche", afferma Fiete. "E l'idea che sta davvero prendendo piede... in questo momento è:come possiamo trasferire la ricerca dall'università, come quella in cui è coinvolto il mio team, a tecnologie che avranno un impatto sul modo in cui viviamo le nostre vite?" + Esplora ulteriormente
