Il magnetismo si verifica a seconda di come si comportano gli elettroni. Le particelle elementari, ad esempio, con la loro carica possono generare una corrente elettrica e indurre così un campo magnetico. Tuttavia, il magnetismo può anche derivare dall'allineamento collettivo dei momenti magnetici (spin) in un materiale. Ciò che però finora non è stato possibile è cambiare continuamente il tipo di magnetismo in un cristallo.

Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal professore Andrej Pustogow della TU Wien è riuscito a fare proprio questo:cambiare il magnetismo "premendo un pulsante". Per questo, il team ha modificato continuamente le interazioni magnetiche in un singolo cristallo applicando pressione. I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati in Physical Review Letters .

Da migliaia di anni l'uomo è affascinato dal magnetismo che ha reso possibili molte applicazioni tecniche. Dalle bussole ai motori elettrici fino ai generatori:questi e altri dispositivi non esisterebbero senza il ferromagnetismo.

Sebbene il ferromagnetismo sia già ben studiato, la ricerca fondamentale è sempre più interessata ad altre forme di magnetismo. Questi sono di particolare interesse per l’archiviazione sicura dei dati e come potenziali piattaforme per i computer quantistici. "Tuttavia, cercare nuove forme di magnetismo e controllarle completamente è un'impresa estremamente difficile", afferma il responsabile dello studio Andrej Pustogow.

Gli spin possono essere visualizzati come piccoli aghi di una bussola che possono allinearsi in un campo magnetico esterno e avere essi stessi un campo magnetico. Nel caso del ferromagnetismo, utilizzato nei magneti permanenti, tutti gli spin degli elettroni si allineano parallelamente tra loro. In alcune disposizioni di spin degli elettroni, ad esempio nei normali reticoli cristallini quadrati, a scacchiera, è possibile anche un allineamento antiparallelo degli spin:gli spin vicini puntano sempre alternativamente in direzioni opposte.

Con reticoli triangolari (o reticoli in cui si verificano strutture triangolari, come il reticolo kagome più complesso), una disposizione completamente antiparallela non è possibile:se due angoli di un triangolo hanno direzioni di rotazione opposte, il lato rimanente deve corrispondere a una delle due direzioni . Entrambe le opzioni, rotazione verso l'alto o rotazione verso il basso, sono quindi esattamente equivalenti.

"Questa possibilità di alternative multiple identiche è nota come 'frustrazione geometrica' e si verifica nelle strutture cristalline con spin elettronici disposti in reticoli triangolari, kagome o a nido d'ape", spiega il fisico dello stato solido Pustogow. Di conseguenza, si formano coppie di giri disposte in modo casuale, con alcuni giri che non trovano affatto un partner.

"I rimanenti momenti magnetici spaiati potrebbero essere intrecciati tra loro, manipolati con campi magnetici esterni e quindi utilizzati per l'archiviazione di dati o operazioni di calcolo nei computer quantistici", afferma Pustogow.

"Nei materiali reali siamo ancora lontani da un tale stato di frustrazione ideale. Innanzitutto dobbiamo essere in grado di controllare con precisione la simmetria del reticolo cristallino e quindi le proprietà magnetiche", afferma Pustogow. Sebbene i materiali con forte frustrazione geometrica possano già essere prodotti, un cambiamento continuo da debole a forte frustrazione e viceversa non è stato ancora possibile, soprattutto non nello stesso cristallo.

Per modificare il magnetismo del materiale studiato "premendo un pulsante", i ricercatori hanno messo sotto pressione il cristallo. Partendo da una struttura kagome, il reticolo cristallino è stato deformato dallo stress uniassiale, che ha modificato le interazioni magnetiche tra gli elettroni.

"Utilizziamo la pressione meccanica per forzare il sistema in una direzione magnetica preferita. Come talvolta nella vita reale, lo stress riduce la frustrazione perché siamo costretti a prendere una decisione e non dobbiamo prenderla da soli", afferma Pustogow.

Il team è riuscito ad aumentare la temperatura della transizione di fase magnetica di oltre il 10%. "A prima vista potrebbe sembrare poco, ma se il punto di congelamento dell'acqua venisse aumentato del 10%, ad esempio, congelerebbe a 27°C, con gravi conseguenze per il mondo come lo conosciamo", spiega Pustogow.

Mentre nel caso attuale la frustrazione geometrica è stata ridotta dalla pressione meccanica, il gruppo di ricerca ora mira ad aumentare la frustrazione per eliminare completamente l’antiferromagnetismo e realizzare un liquido a spin quantistico come descritto sopra. "La possibilità di controllare attivamente la frustrazione geometrica attraverso lo stress meccanico uniassiale apre la porta a manipolazioni inimmaginabili delle proprietà dei materiali 'premendo un pulsante'", afferma Pustogow.

Ulteriori informazioni: Jierong Wang et al, Rilascio controllato della frustrazione sul reticolo di Kagome mediante regolazione della deformazione uniassiale, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256501. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.08613

Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , arXiv

Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna