I ricercatori hanno scoperto monopoli magnetici, ovvero cariche magnetiche isolate, in un materiale strettamente correlato alla ruggine, un risultato che potrebbe essere utilizzato per alimentare tecnologie informatiche più ecologiche e più veloci.

I ricercatori guidati dall'Università di Cambridge hanno utilizzato una tecnica nota come rilevamento quantistico del diamante per osservare strutture vorticose e deboli segnali magnetici sulla superficie dell'ematite, un tipo di ossido di ferro.

I ricercatori hanno osservato che i monopoli magnetici nell’ematite emergono attraverso il comportamento collettivo di molti spin (il momento angolare di una particella). Questi monopoli scivolano attraverso le strutture vorticose sulla superficie dell'ematite come minuscoli dischi da hockey carichi di carica magnetica. Questa è la prima volta che i monopoli emergenti in natura sono stati osservati sperimentalmente.

La ricerca ha anche mostrato la connessione diretta tra le strutture vorticose precedentemente nascoste e le cariche magnetiche di materiali come l’ematite, come se ci fosse un codice segreto che li collega insieme. I risultati, che potrebbero essere utili per consentire applicazioni logiche e di memoria di prossima generazione, sono riportati nella rivista Nature Materials .

Secondo le equazioni di James Clerk Maxwell, un gigante della fisica di Cambridge, gli oggetti magnetici, che si tratti di un magnete da frigorifero o della Terra stessa, devono sempre esistere come una coppia di poli magnetici che non possono essere isolati.

"I magneti che usiamo ogni giorno hanno due poli:nord e sud", ha affermato il professor Mete Atatüre, che ha guidato la ricerca. "Nel 19° secolo si ipotizzò che potessero esistere i monopoli. Ma in una delle sue equazioni fondamentali per lo studio dell'elettromagnetismo, James Clerk Maxwell non era d'accordo."

Atatüre è a capo del Cavendish Laboratory di Cambridge, una posizione un tempo ricoperta dallo stesso Maxwell. "Se i monopoli esistessero e fossimo in grado di isolarli, sarebbe come trovare un pezzo mancante di un puzzle che si presumeva perduto", ha affermato.

Circa 15 anni fa, gli scienziati hanno suggerito come potrebbero esistere i monopoli in un materiale magnetico. Questo risultato teorico si basava sull'estrema separazione dei poli nord e sud in modo che, localmente, ciascun polo apparisse isolato in un materiale esotico chiamato spin ice.

Tuttavia, esiste una strategia alternativa per trovare i monopoli che coinvolge il concetto di emergenza. L'idea di emergenza è la combinazione di molte entità fisiche che possono dare origine a proprietà che sono maggiori o diverse dalla somma delle loro parti.

Lavorando con i colleghi dell'Università di Oxford e dell'Università Nazionale di Singapore, i ricercatori di Cambridge hanno utilizzato l'emersione per scoprire monopoli sparsi nello spazio bidimensionale, scivolando attraverso le trame vorticose sulla superficie di un materiale magnetico.

Le strutture topologiche vorticose si trovano in due tipi principali di materiali:ferromagneti e antiferromagneti. Dei due, gli antiferromagneti sono più stabili dei ferromagneti, ma sono più difficili da studiare poiché non hanno una forte firma magnetica.

Per studiare il comportamento degli antiferromagneti, Atatüre e i suoi colleghi utilizzano una tecnica di imaging nota come magnetometria quantistica del diamante. Questa tecnica utilizza un singolo giro, il momento angolare intrinseco di un elettrone, in un ago di diamante per misurare con precisione il campo magnetico sulla superficie di un materiale, senza influenzarne il comportamento.

Per lo studio attuale, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica per esaminare l’ematite, un materiale antiferromagnetico a base di ossido di ferro. Con loro sorpresa, hanno trovato modelli nascosti di cariche magnetiche all'interno dell'ematite, inclusi monopoli, dipoli e quadrupoli.

"I monopoli erano stati previsti in teoria, ma questa è la prima volta che vediamo effettivamente un monopolio bidimensionale in un magnete naturale", ha detto il coautore, il professor Paolo Radaelli dell'Università di Oxford.

"Questi monopoli sono uno stato collettivo di molti spin che ruotano attorno a una singolarità piuttosto che a una singola particella fissa, quindi emergono attraverso interazioni a molti corpi. Il risultato è una minuscola particella stabile localizzata con un campo magnetico divergente che ne esce." ha detto il co-primo autore Dr. Hariom Jani, dell'Università di Oxford.

"Abbiamo dimostrato come la magnetometria quantistica del diamante potrebbe essere utilizzata per svelare il misterioso comportamento del magnetismo nei materiali quantistici bidimensionali, il che potrebbe aprire nuovi campi di studio in quest'area", ha affermato il co-primo autore Dr. Anthony Tan dell'Università di Los Angeles. Laboratorio Cavendish. "La sfida è sempre stata l'imaging diretto di queste strutture negli antiferromagneti a causa della loro attrazione magnetica più debole, ma ora siamo in grado di farlo con una bella combinazione di diamanti e ruggine."

Lo studio non solo evidenzia il potenziale della magnetometria quantistica del diamante, ma sottolinea anche la sua capacità di scoprire e indagare fenomeni magnetici nascosti nei materiali quantistici. Se controllate, queste trame vorticose rivestite di cariche magnetiche potrebbero alimentare la logica della memoria del computer superveloce ed efficiente dal punto di vista energetico.

Ulteriori informazioni: Mete Atatüre et al, Rivelazione di una carica magnetica emergente in un antiferromagnete con la magnetometria quantistica del diamante, Materiali naturali (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01737-4. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.12125

Informazioni sul giornale: Materiali naturali , arXiv

Fornito dall'Università di Cambridge