Un nuovo tipo di magnetismo

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Nel materiale moiré dei ricercatori, gli spin degli elettroni sono disordinati se c’è esattamente un elettrone su un sito del reticolo (a sinistra). Quando ci sono più elettroni che siti reticolari (a destra) e due elettroni possono formare dobloni (in rosso), gli spin si allineano in modo ferromagnetico, riducendo al minimo l’energia cinetica del doblone. (Illustrazione: Politecnico di Zurigo)
I ricercatori hanno dimostrato un nuovo tipo di magnetismo in un materiale prodotto artificialmente. Il materiale diventa ferromagnetico perché gli elettroni riducono al minimo la loro energia cinetica.

di Oliver Morsch Affinché una calamita si attacchi alla porta del frigorifero, diversi effetti fisici devono interagire perfettamente al suo interno. I momenti magnetici dei suoi elettroni puntano nella stessa direzione, anche se nessun campo magnetico esterno li costringe a farlo. Questo avviene attraverso la cosiddetta interazione di scambio, cioè una combinazione di repulsione elettrostatica tra gli elettroni e di effetti quantomeccanici degli spin degli elettroni, che a loro volta sono responsabili dei momenti magnetici. Questa è la spiegazione comune del fatto che alcuni materiali come il ferro o il nichel sono ferromagnetici, cioè permanentemente magnetici, finché non vengono riscaldati al di sopra di una certa temperatura.

I ricercatori del Politecnico di Zurigo, guidati da Ataç Imamoglu dell’Istituto di Elettronica Quantistica e Eugene Demler dell’Istituto di Fisica Teorica, hanno dimostrato un nuovo tipo di ferro in un materiale prodotto artificialmente in cui l’orientamento dei momenti magnetici è completamente diverso. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista Nature.

Materiale artificiale con riempimento di elettroni

Nel laboratorio di Imamoglu, il dottorando Livio Ciorciaro, il ricercatore post-dottorato Tomasz Smolenski e i colleghi hanno prodotto un materiale speciale sovrapponendo strati sottilissimi di due diversi materiali semiconduttori (diseleniuro di molibdeno e solfuro di tungsteno). Le diverse costanti di reticolo dei due materiali, cioè le distanze tra i loro atomi, danno luogo a un potenziale periodico bidimensionale con una grande costante di reticolo (trenta volte superiore a quella dei due semiconduttori) nel piano di contatto, che può essere riempito di elettroni applicando una tensione elettrica. "Questi materiali moiré hanno suscitato un grande interesse negli ultimi anni, perché possono essere utilizzati per studiare molto bene gli effetti quantistici degli elettroni fortemente interagenti nei materiali allo stato solido", spiega Imamoglu. Tuttavia, in precedenza si sapeva poco delle loro proprietà magnetiche".

Per indagare queste proprietà magnetiche, Imamoglu e il suo team hanno misurato se il materiale moiré fosse paramagnetico, cioè con momenti magnetici disordinati, o ferromagnetico a un certo riempimento di elettroni. A tal fine, hanno illuminato il materiale con luce laser e hanno misurato la forza con cui la luce veniva riflessa per diverse polarizzazioni. La polarizzazione indica la direzione in cui oscilla il campo elettromagnetico della luce laser e, a seconda dell’orientamento dei momenti magnetici - e quindi degli spin degli elettroni - il materiale riflette una polarizzazione più forte dell’altra. Questa differenza può essere utilizzata per calcolare se gli spin puntano tutti nella stessa direzione o in direzioni diverse, determinando così la magnetizzazione.

Un suggerimento sorprendente

Aumentando gradualmente la tensione, i fisici hanno riempito il materiale di elettroni e misurato la magnetizzazione in ogni caso. Fino a un riempimento di un solo elettrone per ogni sito del reticolo di Moiré (noto anche come isolante di Mott), il materiale è rimasto paramagnetico. Quando i ricercatori hanno riempito il reticolo con un numero maggiore di elettroni, è successo qualcosa di inaspettato: il materiale si è improvvisamente comportato in modo simile a un ferromagnete.


"Si tratta di un’indicazione sorprendente di una nuova specie che non può essere spiegata dall’interazione di scambio", afferma Imamoglu. Infatti, se l’interazione di scambio fosse responsabile di questo fenomeno, esso si verificherebbe già con un numero inferiore di elettroni nel reticolo. L’insorgenza improvvisa ha quindi suggerito un effetto diverso".

Cinetico

Eugene Demler, in collaborazione con il ricercatore post-dottorato Ivan Morera, ebbe finalmente l’idea decisiva: poteva trattarsi di un meccanismo che il fisico giapponese Yosuke Nagaoka aveva già previsto teoricamente nel 1966. Allineando i loro spin in parallelo, gli elettroni riducono al minimo la loro energia cinetica (energia cinetica), che è molto maggiore dell’energia di scambio. Nell’esperimento dei ricercatori, questo avviene non appena nel materiale moiré c’è più di un elettrone per sito reticolare. Di conseguenza, due elettroni possono unirsi per formare i cosiddetti dobloni. L’energia cinetica viene quindi ridotta al minimo se i dobloni possono diffondersi nell’intero reticolo attraverso il tunnelling quantomeccanico. Tuttavia, questo è possibile solo se i singoli elettroni del reticolo allineano i loro spin in modo ferromagnetico, perché altrimenti gli effetti di sovrapposizione quantomeccanica vengono disturbati, consentendo la libera propagazione dei dobloni.

"Finora, tali meccanismi per l’energia cinetica sono stati dimostrati solo in sistemi modello costituiti da quattro punti quantici, per esempio", dice Imamoglu, "ma mai in sistemi estesi allo stato solido come il nostro".

In un prossimo futuro, vorrebbe modificare i parametri del reticolo moiré per verificare se il ferro viene mantenuto anche a temperature più elevate; nell’esperimento attuale, il materiale doveva ancora essere raffreddato a un decimo di grado sopra lo zero assoluto.
Il magnetismo