Nel panorama in continua evoluzione della fisica della materia condensata, una svolta recente è emersa dagli sforzi di collaborazione dei ricercatori del Peter Grünberg Institute (PGI-1), dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, del Paul Scherrer Institut in Svizzera e del Jülich Center for Scienza dei neutroni (JCNS).
Questo lavoro sinergico, guidato dal trio Manuel dos Santos Dias, Nikolaos Biniskos e Flaviano dos Santos e guidato da Stefan Blügel, Thomas Brückel e Samir Lounis, ha approfondito le proprietà magnoniche inesplorate all'interno di Mn5 Ge3 , un materiale ferromagnetico tridimensionale.
La topologia, un concetto fondamentale nella fisica contemporanea, ha già svolto un ruolo trasformativo nella comprensione degli elettroni nei solidi. Dagli effetti Hall quantistici agli isolanti topologici, l’influenza della topologia è di vasta portata. In questo contesto, l’attenzione si è spostata sui magnoni – precessione collettiva dei momenti magnetici – come potenziali portatori di effetti topologici. I magnoni, essendo bosoni, possono esibire fenomeni unici simili alle loro controparti fermioniche.
Il gruppo di ricerca mirava a esplorare le proprietà magnoniche di Mn5 Ge3 , un ferromagnete centrosimmetrico 3D. Attraverso una combinazione di calcoli della teoria del funzionale della densità, simulazioni di modelli di spin ed esperimenti di diffusione dei neutroni, hanno svelato l'insolita struttura delle bande magnoniche del materiale.
La rivelazione centrale è stata l’esistenza dei magnoni di Dirac con un gap energetico, un fenomeno attribuito alle interazioni Dzyaloshinskii-Moriya. Questa interazione, identificata nel materiale, è responsabile della creazione di un divario nello spettro dei magnoni.
La regolabilità del traferro ruotando la direzione di magnetizzazione utilizzando un campo magnetico applicato caratterizza Mn5 Ge3 come materiale tridimensionale con magnoni di Dirac separati. Questo divario, spiegato teoricamente e dimostrato sperimentalmente, ha sottolineato la natura topologica di Mn5 Ge3 i magnoni.
Le scoperte del gruppo di ricerca non solo contribuiscono alla comprensione fondamentale dei magnoni topologici, ma evidenziano anche Mn5 Ge3 come potenziale punto di svolta nel regno dei materiali magnetici.
L'intricata interazione di fattori rivelata in Mn5 Ge3 apre nuove strade per la progettazione di materiali con proprietà magnetiche personalizzate. Poiché le proprietà magnetiche del materiale possono essere regolate con precisione, la prospettiva di integrare questi magnoni topologici in nuovi concetti di dispositivi per applicazioni pratiche diventa sempre più fattibile.
Mentre la comunità scientifica continua a esplorare le frontiere della fisica della materia condensata, questo studio segna una pietra miliare significativa nello svelare i misteri dei materiali magnetici. Le implicazioni della ricerca non solo ampliano la nostra comprensione dei magnoni, ma aprono anche la strada per sfruttare le loro proprietà quantistiche uniche nelle tecnologie future.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
Ulteriori informazioni: M. dos Santos Dias et al, Magnoni topologici guidati dall'interazione Dzyaloshinskii-Moriya nel ferromagnete centrosimmetrico Mn5Ge3, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43042-3
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