Gli scienziati scoprono un insolito movimento ultraveloce in materiali magnetici stratificati

Aug 16, 2023

2 agosto 2023

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di Joseph E. Harmon, Laboratorio nazionale dell'Argonne

Una comune graffetta metallica si attaccherà a un magnete. Gli scienziati classificano tali materiali contenenti ferro come ferromagneti. Poco più di un secolo fa, i fisici Albert Einstein e Wander de Haas segnalarono un effetto sorprendente con un ferromagnete. Se sospendi un cilindro di ferro a un filo e lo esponi a un campo magnetico, inizierà a ruotare se semplicemente inverti la direzione del campo magnetico.

"L'esperimento di Einstein e de Haas è quasi come uno spettacolo di magia", ha detto Haidan Wen, un fisico delle divisioni di Scienza dei materiali e Scienza dei raggi X dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Puoi far ruotare un cilindro senza nemmeno toccarlo."

Su Nature, un team di ricercatori dell'Argonne e di altri laboratori e università nazionali statunitensi riportano ora un effetto analogo ma diverso in un "anti" ferromagnete. Ciò potrebbe avere importanti applicazioni nei dispositivi che richiedono un controllo del movimento ultrapreciso e ultraveloce. Un esempio sono i nanomotori ad alta velocità per applicazioni biomediche, come l’uso nei nanorobot per diagnosi e interventi chirurgici minimamente invasivi.

La differenza tra un ferromagnete e un antiferromagnete ha a che fare con una proprietà chiamata spin dell'elettrone. Questa rotazione ha una direzione. Gli scienziati rappresentano la direzione con una freccia, che può puntare verso l'alto o verso il basso o qualsiasi direzione intermedia. Nel ferromagnete magnetizzato menzionato sopra, le frecce associate a tutti gli elettroni negli atomi di ferro possono puntare nella stessa direzione, ad esempio verso l'alto. L’inversione del campo magnetico inverte la direzione di rotazione degli elettroni. Quindi, tutte le frecce puntano verso il basso. Questa inversione porta alla rotazione del cilindro.

"In questo esperimento, una proprietà microscopica, lo spin dell'elettrone, viene sfruttata per suscitare una risposta meccanica in un cilindro, un oggetto macroscopico", ha affermato Alfred Zong, Miller Research Fellow presso l'Università della California, Berkeley.

Negli antiferromagneti, invece che gli elettroni girino tutti verso l'alto, ad esempio, si alternano dall'alto verso il basso tra gli elettroni adiacenti. Questi spin opposti si annullano a vicenda e gli antiferromagneti quindi non rispondono ai cambiamenti in un campo magnetico come fanno i ferromagneti.

"La domanda che ci siamo posti è: può lo spin dell'elettrone suscitare in un antiferromagnete una risposta diversa ma simile nello spirito a quella della rotazione del cilindro nell'esperimento di Einstein-de Hass?" Wen ha detto.

Per rispondere a questa domanda, il team ha preparato un campione di trisolfuro di ferro e fosforo (FePS3), un antiferromagnete. Il campione era costituito da più strati di FePS3, ciascuno strato aveva uno spessore di solo pochi atomi.

"A differenza di un magnete tradizionale, FePS3 è speciale perché è formato in una struttura a strati, in cui l'interazione tra gli strati è estremamente debole", ha affermato Xiaodong Xu, professore di fisica e scienza dei materiali all'Università di Washington.

"Abbiamo progettato una serie di esperimenti corroboranti in cui abbiamo sparato impulsi laser ultraveloci su questo materiale stratificato e misurato i cambiamenti risultanti nelle proprietà del materiale con impulsi ottici, a raggi X ed elettronici", ha aggiunto Wen.

Il team ha scoperto che gli impulsi modificano la proprietà magnetica del materiale alterando l’orientamento ordinato degli spin degli elettroni. Le frecce per lo spin degli elettroni non si alternano più su e giù in modo ordinato, ma sono disordinate.