I ricercatori dell'Università di Costanza hanno scoperto un nuovo tipo di commutazione magnetica ultraveloce studiando le fluttuazioni che normalmente tendono a interferire con gli esperimenti sotto forma di rumore.
Il rumore alla radio quando la ricezione è scarsa è un tipico esempio di come le fluttuazioni mascherano un segnale fisico. In effetti, tali interferenze o rumori si verificano in ogni misurazione fisica oltre al segnale reale.
"Anche nel luogo più solitario dell'universo, dove non dovrebbe esserci nulla, ci sono ancora fluttuazioni del campo elettromagnetico", afferma il fisico Ulrich Nowak.
Nel Collaborative Research Center (CRC) 1432 "Fluctuations and Nonlinearità in Classical and Quantum Matter beyond Equilibrium" dell'Università di Costanza, i ricercatori vedono questo rumore onnipresente non come un fattore di disturbo da eliminare, ma come una fonte di informazioni che ci dice qualcosa sul segnale.
Questo approccio si è ora rivelato efficace nello studio degli antiferromagneti. Gli antiferromagneti sono materiali magnetici in cui le magnetizzazioni di diversi sottoreticoli si annullano a vicenda. Tuttavia, gli isolanti antiferromagnetici sono considerati promettenti per componenti ad alta efficienza energetica nel campo della tecnologia dell'informazione. Poiché all'esterno non presentano quasi alcun campo magnetico, è molto difficile caratterizzarli fisicamente. Tuttavia, gli antiferromagneti sono circondati da fluttuazioni magnetiche, che possono dirci molto su questo materiale debolmente magnetico.
In questo spirito, i gruppi dei due scienziati dei materiali Ulrich Nowak e Sebastian Gönnenwein hanno analizzato le fluttuazioni dei materiali antiferromagnetici nel contesto del CRC. Il fattore decisivo nel loro studio teorico e sperimentale, recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications , era la gamma di frequenza specifica.
"Misuriamo fluttuazioni molto veloci e abbiamo sviluppato un metodo con il quale è ancora possibile rilevare le fluttuazioni sulla scala temporale ultrabreve dei femtosecondi", afferma il fisico sperimentale Gönnenwein. Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo.
Su scale temporali più lente, si potrebbe utilizzare un’elettronica sufficientemente veloce da misurare queste fluttuazioni. Su scale temporali ultraveloci, questo non funziona più, motivo per cui è stato necessario sviluppare un nuovo approccio sperimentale. Si basa su un'idea del gruppo di ricerca di Alfred Leitenstorfer, che è anche membro del Collaborative Research Center. Utilizzando la tecnologia laser, i ricercatori utilizzano sequenze di impulsi o coppie di impulsi per ottenere informazioni sulle fluttuazioni.
Inizialmente, questo approccio di misurazione è stato sviluppato per studiare le fluttuazioni quantistiche e ora è stato esteso alle fluttuazioni nei sistemi magnetici. Takayuki Kurihara dell'Università di Tokyo ha svolto un ruolo chiave in questo sviluppo come terzo partner di cooperazione. Dal 2018 al 2020 è stato membro del gruppo di ricerca Leitenstorfer e dello Zukunftskolleg dell'Università di Costanza.
Nell'esperimento, due impulsi luminosi ultracorti vengono trasmessi attraverso il magnete con un ritardo temporale, testando rispettivamente le proprietà magnetiche durante il tempo di transito di ciascun impulso. Gli impulsi luminosi vengono quindi controllati per verificarne la somiglianza utilizzando un'elettronica sofisticata. Il primo impulso serve da riferimento, il secondo contiene informazioni su quanto è cambiato l'antiferromagnete nel tempo tra il primo e il secondo impulso. Diversi risultati di misurazione nei due momenti confermano le fluttuazioni. Il gruppo di ricerca di Nowak ha anche modellato l'esperimento in elaborate simulazioni al computer per comprenderne meglio i risultati.
Un risultato inaspettato è stata la scoperta del cosiddetto rumore del telegrafo su scale temporali ultracorti. Ciò significa che non c'è solo rumore non classificato, ma anche fluttuazioni in cui il sistema passa avanti e indietro tra due stati ben definiti. Una commutazione così veloce e puramente casuale non è mai stata osservata prima e potrebbe essere interessante per applicazioni come i generatori di numeri casuali. In ogni caso, le nuove possibilità metodologiche per analizzare le fluttuazioni su scale temporali ultrabrevi offrono un grande potenziale per ulteriori scoperte nel campo dei materiali funzionali.
Ulteriori informazioni: M. A. Weiss et al, Scoperta della commutazione di spin spontanea ultraveloce in un antiferromagnete mediante spettroscopia di correlazione del rumore al femtosecondo, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43318-8
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Costanza
