Dimostrato per la prima volta come una particolare luce laser possa indurre un comportamento quantistico a temperatura ambiente, rendendo magnetici materiali che normalmente non lo sono
L’emergere dell’ordine collettivo nella materia è uno dei fenomeni più fondamentali e intriganti della fisica. Negli ultimi anni, il controllo dinamico e la creazione di nuovi stati ordinati della materia non accessibili nell'equilibrio termodinamico sta ricevendo molta attenzione. Il concetto teorico di multiferroicità dinamica è stato introdotto per descrivere l'emergere della magnetizzazione dovuta alla polarizzazione elettrica dipendente dal tempo nei materiali non ferromagnetici. In termini semplici, il movimento rotatorio coerente degli ioni in un cristallo induce un momento magnetico lungo l'asse di rotazione.
Il potenziale della tecnologia quantistica è enorme, ma oggi è in gran parte limitato agli ambienti estremamente freddi dei laboratori. I ricercatori dell'Università di Stoccolma. del Nordic Institute for Theoretical Physics e dell’Università Ca’ Foscari di Venezia sono riusciti a dimostrare per la prima volta come la luce laser possa indurre un comportamento quantistico a temperatura ambiente, rendendo magnetici i materiali non magnetici. Questa scoperta dovrebbe aprire la strada a computer, trasferimenti di informazioni e archiviazione di dati più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.
Nel giro di qualche decennio, il progresso della tecnologia quantistica dovrebbe rivoluzionare molti dei settori più importanti della società e aprire la strada a possibilità tecnologiche completamente nuove nel campo delle comunicazioni e dell'energia. Di particolare interesse per i ricercatori del settore sono le proprietà peculiari e bizzarre delle particelle quantistiche, che deviano completamente dalle leggi della fisica classica e possono rendere i materiali magnetici o superconduttori. Aumentando la comprensione di come e perché si formi questo tipo di stati quantistici, l'obiettivo è quello di poter controllare e manipolare i materiali per dare loro proprietà peculiari.
Finora i ricercatori sono riusciti a indurre con la luce comportamenti quantistici, come il magnetismo e la superconduttività, solo a temperature estremamente basse. Pertanto, il potenziale della ricerca quantistica era ancora limitato ai laboratori di ricerca.
Ora, un gruppo di ricercatori dell'Università di Stoccolma e dell'Istituto Nordico di Fisica Teorica (NORDITA) in Svezia, dell'Università del Connecticut e dello SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti, dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali di Tsukuba, in Giappone, dell'Elettra-Sincrotrone Trieste, dell'Università 'Sapienza' di Roma e dell'Università Ca' Foscari Venezia in Italia, è il primo al mondo a dimostrare in un esperimento come la luce laser possa indurre magnetismo in un materiale non magnetico a temperatura ambiente. Nello studio, pubblicato su Nature (1), i ricercatori hanno sottoposto il materiale quantistico SrTiO3 (titanato di stronzio) a brevi ma intensi raggi laser di una particolare lunghezza d'onda e polarizzazione, per indurre il magnetismo.
«L'innovazione sta nell’idea di fare in modo che la luce muova gli atomi e gli elettroni di questo materiale in movimento circolare, in modo da generare correnti che lo rendano magnetico come una calamita da frigorifero. Siamo riusciti a farlo sviluppando una nuova sorgente di luce nell'infrarosso lontano, con una polarizzazione a forma di “cavatappi”. Per la prima volta siamo stati in grado di indurre e vedere chiaramente come un materiale possa diventare fortemente magnetico a temperatura ambiente. Inoltre, il nostro approccio consente di realizzare materiali magnetici a partire da molti materiali isolanti, quando quasi tutti i magneti conosciuti sono dei conduttori. A lungo termine, questo apre la strada ad applicazioni completamente nuove nella società», afferma l’ideatore e responsabile principale della ricerca Stefano Bonetti (2) dell'Università di Stoccolma e dell’Università Ca’ Foscari Venezia.
Il metodo si basa sulla teoria della “multiferroicità dinamica”, che prevede appunto che quando gli atomi di materiali isolanti vengono fatti ruotare con luce polarizzata circolarmente, si forma un campo magnetico. Ma solo ora la teoria può essere confermata negli esperimenti. Si prevede che questa scoperta avrà ampie applicazioni in diverse tecnologie informatiche.
«Questo apre la strada a interruttori magnetici ultraveloci che possono essere utilizzati per un trasferimento più rapido delle informazioni e per un'archiviazione dei dati notevolmente migliore, nonché a computer significativamente più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico», afferma Alexander Balatsky (3), professore di fisica presso la NORDITA.
I risultati del team sono già stati riprodotti in diversi altri laboratori e una pubblicazione sullo stesso numero di Nature dimostra che questo approccio può essere utilizzato per scrivere, e quindi memorizzare, informazioni magnetiche. La ricerca apre un nuovo capitolo nella progettazione di nuovi materiali che utilizzano la luce per controllarne le proprietà.
Riferimenti:
(1) Terahertz electric-field-driven dynamical multiferroicity in SrTiO3
(2) Stefano Bonetti
Descrizione foto: La luce laser è polarizzata circolarmente, cioè ha la forma di un “cavatappi”. Quando la luce laser con questo tipo di polarizzazione entra in un materiale, trasferisce la sua polarizzazione circolare agli atomi in esso contenuti, facendoli ruotare e generando correnti atomiche. Se la frequenza della luce corrisponde alla frequenza di vibrazione degli atomi, l'effetto è potenziato e si genera un magnetismo relativamente grande. - Credit: Università Ca’ Foscari.
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