I fisici dell'Università di Augusta sono riusciti a distinguere ordini chirali con magnetizzazione simile ma senso di rotazione opposto attraverso misurazioni elettriche a basse temperature. Ciò è rilevante per la ricerca fondamentale sui magneti complessi e sulle possibili applicazioni per l'archiviazione di dati magnetici. I risultati sono stati pubblicati su Nature Physics .
Le correnti elettriche e le forze magnetiche sono direttamente collegate tra loro:i cavi percorsi da corrente creano un campo magnetico circolare e viceversa un campo magnetico devia le particelle elettricamente cariche perpendicolarmente alla corrente e alla direzione del campo. Quest'ultimo fenomeno è chiamato "effetto Hall" in onore del suo inventore Edwin Hall.
L'effetto Hall viene utilizzato per sondare le proprietà elettriche e magnetiche dei metalli. Il "normale effetto Hall" ci permette di determinare la concentrazione dei portatori di carica e la loro mobilità, mentre un ulteriore contributo denominato "effetto Hall anomalo" si presenta nei magneti.
All'Istituto di fisica dell'Università di Augusta è stato ora scoperto che l'effetto Hall anomalo potrebbe rivelare una simmetria nascosta. "Nonostante una magnetizzazione uguale, due stati mostrano segnali Hall anomali nettamente diversi, un'osservazione sorprendente e sorprendente", spiega Philipp Gegenwart, professore di fisica sperimentale.
Le indagini sono state condotte con il metallo magnetico HoAgGe, che ha proprietà magnetiche speciali scoperte quattro anni fa dal team del Prof. Gegenwart. Il materiale presenta una configurazione triangolare degli spin degli elettroni atomici degli atomi di olmio.
Poiché è impossibile realizzare simultaneamente tutte le interazioni a coppie su ciascun triangolo, emerge uno stato magneticamente frustrato. Presenta diverse configurazioni energeticamente degenerate per triangolo e si chiama spin ice di Kagome. Gli spin si trovano ai bordi di triangoli con angoli condivisi che ricordano i cestini giapponesi "Kagome" intrecciati. Regole simili che si applicano al ghiaccio d'acqua determinano le possibili configurazioni dei momenti magnetici.
A differenza dei normali magneti, i momenti magnetici nel ghiaccio di spin di Kagome non sono allineati lungo una direzione ma obbediscono piuttosto a uno schema chirale complesso, cioè con un diverso senso di rotazione. Sono creati in un campo magnetico applicato a basse temperature e presentano plateau di magnetizzazione frazionata a valori di 1/3 e 2/3. La figura sopra mostra due di questi modelli con energia simile e 1/3 della magnetizzazione di saturazione ciascuno.
Lo studio del gruppo di ricerca dell'Università di Augusta ha indagato e analizzato sistematicamente l'effetto Hall anomalo alle basse temperature. Sorprendentemente, sono stati trovati valori diversi dell'effetto Hall anomalo per i due modelli di magnetizzazione 1/3, visibili come curve rosse e nere nel grafico della figura sopra.
La modellazione dei dati ha rivelato una simmetria nascosta unica sottostante:la combinazione di una rotazione di 180° e un'inversione della distorsione è necessaria per trasformare un modello nell'altro. Gli elettroni di conduzione che si diffondono dai due diversi modelli determinano diverse curvature della fase delle loro funzioni d'onda, e questo porta a una differenza nell'effetto Hall anomalo, nonostante un'energia e una magnetizzazione simili dei due diversi modelli.
Più in generale, questa osservazione indica un nuovo potenziale per le misurazioni dell’effetto Hall anomalo nei metalli frustrati magneticamente e per la scoperta di simmetrie e stati nascosti attraverso misurazioni elettriche. "Ciò potrebbe essere interessante anche per quanto riguarda l'archiviazione magnetica permanente dei dati su scala atomica più piccola", afferma Gegenwart. Tuttavia, ciò richiede l'indirizzamento locale e la commutazione selettiva del senso di rotazione di questi modelli.
Ulteriori informazioni: K. Zhao et al, Degenerazioni discrete distinte dall'effetto Hall anomalo in un composto di ghiaccio kagome metallico, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02307-w
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Università di Augusta
