I ricercatori scoprono come controllare l'anomalo effetto Hall e la curvatura di Berry per creare magneti quantistici flessibili da utilizzare in computer, robotica e sensori
I calcogenuri dei metalli di transizione magnetica costituiscono una piattaforma emergente per esplorare i fenomeni della fase Berry guidati dall'orbita di spin a causa dell'interazione non banale tra topologia e magnetismo. Alcuni dei nostri oggetti quotidiani più importanti, come computer, apparecchiature mediche, stereo, generatori e altro ancora, funzionano grazie ai magneti. Sappiamo cosa succede quando i computer diventano più potenti, ma cosa potrebbe essere possibile se i magneti diventassero più versatili? E se si potesse cambiare una proprietà fisica che ne definisce l'usabilità? Quale innovazione potrebbe catalizzare?
È una domanda che i ricercatori del MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Hang Chi (1), Yunbo Ou, Jagadeesh Moodera (2) e i loro coautori esplorano in un nuovo documento ad accesso aperto su Nature Communications. (3)
Comprendere l'entità della scoperta degli autori richiede un breve viaggio indietro nel tempo: nel 1879, uno studente laureato di 23 anni di nome Edwin Hall scoprì che quando metteva un magnete ad angolo retto su una striscia di metallo che aveva una corrente attraverso di esso, un lato della striscia avrebbe una carica maggiore dell'altro. Il campo magnetico stava deviando gli elettroni della corrente verso il bordo del metallo, un fenomeno che sarebbe stato chiamato effetto Hall in suo onore.
Ai tempi di Hall, il sistema fisico classico era l'unico, e forze come la gravità e il magnetismo agivano sulla materia in modi prevedibili e immutabili: proprio come far cadere una mela la farebbe cadere, formando una “T” con una striscia di metallo e magnete hanno prodotto l'effetto Hall, punto e basta. Tranne che non lo era, davvero; ora sappiamo che anche la meccanica quantistica ha un ruolo.
Pensa alla fisica classica come a una mappa dell'Arizona e alla meccanica quantistica come a un viaggio in macchina attraverso il deserto. La mappa fornisce una vista macro e informazioni generalizzate sull'area, ma non può preparare il guidatore a tutti gli eventi casuali che potrebbe incontrare, come un armadillo che attraversa la strada. Gli spazi quantistici, come il viaggio in cui si trova il conducente, sono governati da un diverso insieme di regole del traffico locale. Quindi, mentre l'effetto Hall è indotto da un campo magnetico applicato in un sistema classico, in un caso quantistico l'effetto Hall può verificarsi anche senza il campo esterno, a quel punto diventa l'effetto Hall anomalo.
Quando si naviga nel regno quantico, si è dotati della conoscenza della cosiddetta “fase Berry”, dal nome del fisico britannico Michael Berry. Funge da logger GPS per l'auto: è come se il guidatore avesse registrato l'intero viaggio dall'inizio alla fine e, analizzando la cronologia GPS, si possono tracciare meglio gli alti e bassi, o la “curvatura” dello spazio. Questa “curvatura Berry” del paesaggio quantistico può spostare naturalmente gli elettroni da un lato, inducendo l'effetto Hall senza un campo magnetico, proprio come le colline e le valli dettano il percorso dell'auto.
Mentre molti hanno osservato l'effetto Hall anomalo nei materiali magnetici, nessuno era stato in grado di manipolarlo schiacciandolo e/o allungandolo, fino a quando gli autori dell'articolo non hanno sviluppato un metodo per dimostrare il cambiamento dell'effetto Hall anomalo e della curvatura Berry in un magnete insolito.
In primo luogo, hanno preso basi spesse mezzo millimetro fatte di ossido di alluminio o titanato di stronzio, entrambi cristalli, e hanno fatto crescere uno strato incredibilmente sottile di tellururo di cromo, un composto magnetico, sopra le basi. Da soli, questi materiali non farebbero molto; tuttavia, quando combinati, il magnetismo del film e l'interfaccia che creava con le basi su cui era cresciuto causavano l'allungamento o la compressione degli strati.
Per approfondire la loro comprensione di come questi materiali stavano lavorando insieme, i ricercatori hanno collaborato con lo Spallation Neutron Source dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) per eseguire esperimenti di diffusione di neutroni - essenzialmente facendo esplodere il materiale con colpi di particelle e studiando ciò che rimbalzava - per imparare di più sulle proprietà chimiche e magnetiche del film. I neutroni erano uno strumento ideale per lo studio perché sono magnetici ma non hanno carica elettrica. Gli esperimenti sui neutroni hanno permesso ai ricercatori di costruire un profilo che ha rivelato come gli elementi chimici e i comportamenti magnetici cambiassero a diversi livelli man mano che sondavano più in profondità nel materiale.
I ricercatori hanno assistito all'anomalo effetto Hall e alla curvatura di Berry in risposta al grado di schiacciamento o allungamento che si verifica sulla base dopo l'applicazione del film, un'osservazione successivamente verificata mediante modellazione e simulazioni di dati.
Sebbene questa svolta sia avvenuta al più piccolo livello molecolare, la scoperta degli scienziati ha conseguenze significative nel mondo reale. Ad esempio, i dischi rigidi memorizzano i dati in minuscole regioni magnetiche e, se sono stati costruiti utilizzando materiali “regolabili alla deformazione” come la pellicola, potrebbero archiviare dati aggiuntivi in regioni che sono state allungate in modi diversi. Nella robotica, i materiali deformabili potrebbero essere utilizzati come sensori in grado di fornire un feedback preciso sui movimenti e sul posizionamento dei robot. Tali materiali sarebbero particolarmente utili per i “robot morbidi”, che utilizzano componenti morbidi e flessibili che imitano meglio gli organismi biologici. Oppure, un dispositivo magnetico che cambia il suo comportamento quando viene flesso o piegato potrebbe essere utilizzato per rilevare piccoli cambiamenti nell'ambiente o per realizzare apparecchiature di monitoraggio della salute incredibilmente sensibili.
Oltre a Chi, Ou e Moodera, che è anche un affiliato del Dipartimento di Fisica del MIT, i contributori del MIT al lavoro includono il postdoc Alexandre C. Foucher e la Professoressa Frances Ross del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.
Altri coautori includono Tim B. Eldred e Wenpei Gao della North Carolina State University; Sohee Kwon, Yuhang Liu e Roger K. Lake dell'Università della California a Riverside; Joseph Murray, Michael Dreyer e Robert E. Butera del Laboratorio di scienze fisiche; Haile A. Ambaye, Valerie Lauter e Jong K. Keum dell'ORNL; Alice T. Greenberg, Yuhang Liu, Mahesh R. Neupane, George J. de Coster, Owen A. Vail, Patrick J. Taylor, Patrick A. Folkes e Charles Rong dell'Army Research Lab; Gen Yin dell'Università di Georgetown; e Don Heiman della Northeastern University.
Questo studio è stato sostenuto, in parte, dall'US Army Research Office, dalla US National Science Foundation (NSF), dall'US Office of Naval Research, dall'US Air Force Office of Scientific Research e dal MIT-IBM Watson AI Research Lab. L'accesso alle strutture è stato fornito dal MIT Materials Research Laboratory, MRSEC, MIT.nano, SNS and Center for Nanophase Materials Sciences, Department of Energy Office of Science User Facilities gestito da ORNL e Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services and Support supportati da NSF.
Riferimenti:
(1) Hang Chi
(3) Strain-tunable Berry curvature in quasi-two-dimensional chromium telluride
Descrizione foto: In una rappresentazione grafica di un materiale bidimensionale, lo schiacciamento e lo stiramento portano rispettivamente a segni positivi e negativi dell'effetto Hall anomalo, rappresentati da frecce. - Credit: Hang Chi.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New quantum magnet unleashes electronics potential