Il ferromagnetismo e l'antiferromagnetismo sono noti da tempo agli scienziati come due classi di ordine magnetico dei materiali. Nel 2019, i ricercatori dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU) hanno postulato una terza classe di magnetismo, chiamata altermagnetismo. Da allora questo altermagnetismo è stato oggetto di accesi dibattiti tra gli esperti, alcuni dei quali hanno espresso dubbi sulla sua esistenza.
Recentemente, un team di ricercatori sperimentali guidati dal professor Hans-Joachim Elmers della JGU è stato in grado di misurare per la prima volta al DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) un effetto che è considerato una firma dell'altermagnetismo, fornendo così la prova dell'esistenza di questo terzo tipo di magnetismo. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Science Advances .
Mentre i ferromagneti, che tutti conosciamo dai magneti da frigorifero, hanno tutti i loro momenti magnetici allineati nella stessa direzione, gli antiferromagneti hanno momenti magnetici alternati. Pertanto, a livello macroscopico, i momenti magnetici degli antiferromagneti si annullano a vicenda, quindi non esiste alcun campo magnetico esterno, il che farebbe semplicemente cadere i magneti da frigorifero realizzati con questo materiale dalla porta del frigorifero.
I momenti magnetici negli altermagneti differiscono nel modo in cui sono orientati. "Gli altermagneti combinano i vantaggi dei ferromagneti e degli antiferromagneti. I loro momenti magnetici vicini sono sempre antiparalleli tra loro, come negli antiferromagneti, quindi non c'è alcun effetto magnetico macroscopico, ma, allo stesso tempo, mostrano una corrente polarizzata in spin, proprio come ferromagneti", ha spiegato il professor Hans-Joachim Elmers, capo del gruppo di magnetismo presso l'Istituto di fisica della JGU.
Le correnti elettriche solitamente generano campi magnetici. Tuttavia, se si considera un altermagnete nel suo complesso, integrando la polarizzazione dello spin nelle bande elettroniche in tutte le direzioni, diventa evidente che il campo magnetico deve essere zero nonostante la corrente polarizzata nello spin. Se invece l'attenzione si limita a quegli elettroni che si muovono in una particolare direzione, la conclusione è che devono avere uno spin uniforme.
"Questo fenomeno di allineamento non ha nulla a che fare con la disposizione spaziale o con la posizione degli elettroni, ma solo con la direzione della velocità degli elettroni", ha aggiunto Elmers. Poiché la velocità (v) moltiplicata per la massa (M) è uguale alla quantità di moto (P), i fisici usano il termine "spazio della quantità di moto" in questo contesto. Questo effetto è stato previsto in passato da gruppi teorici della JGU guidati dal professor Jairo Sinova e dal dottor Libor Šmejkal.
"Il nostro team è stato il primo a verificare sperimentalmente l'effetto", ha affermato Elmers. I ricercatori hanno utilizzato un microscopio a momento appositamente adattato. Per il loro esperimento, il team ha esposto un sottile strato di biossido di rutenio ai raggi X. L'eccitazione risultante degli elettroni era sufficiente per la loro emissione dallo strato di biossido di rutenio e per il loro rilevamento.
Sulla base della distribuzione della velocità, i ricercatori sono stati in grado di determinare la velocità degli elettroni nel biossido di rutenio. E utilizzando raggi X polarizzati circolarmente, sono stati persino in grado di dedurre le direzioni di rotazione.
Per il loro microscopio a momento, i ricercatori hanno cambiato il piano focale che viene normalmente utilizzato per l'osservazione nei microscopi elettronici standard. Invece di un'immagine ingrandita della superficie della pellicola di ossido di rutenio, il loro rilevatore mostrava una rappresentazione dello spazio della quantità di moto.
"Momenti diversi appaiono in posizioni diverse sul rilevatore. In parole povere, le diverse direzioni in cui gli elettroni si muovono in uno strato sono rappresentate da punti corrispondenti sul rilevatore", ha affermato Elmers.
L’altermagnetismo può essere rilevante anche per la spintronica. Ciò implicherebbe l’utilizzo del momento magnetico degli elettroni invece della loro carica nella memoria dinamica ad accesso casuale. Di conseguenza, la capacità di archiviazione potrebbe essere notevolmente aumentata.
"I nostri risultati potrebbero essere la soluzione a quella che è una grande sfida nel campo della spintronica", ha suggerito Elmers. "Sfruttare il potenziale degli altermagneti renderebbe più semplice la lettura delle informazioni memorizzate in base alla polarizzazione dello spin nelle bande elettroniche."
Ulteriori informazioni: Olena Fedchenko et al, Osservazione della rottura della simmetria con inversione temporale nella struttura a bande del RuO 2 altermagnetico, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj4883
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università Johannes Gutenberg di Magonza
