Ispirati da Einstein e De Haas: gli scienziati scoprono un insolito movimento ultraveloce in materiali magnetici stratificati

Jun 14, 2023

Di Argonne National Laboratory, 7 agosto 2023

Tappeto atomico mosso da giri codificati. Il taglio degli strati atomici nel trisolfuro di ferro e fosforo stratificato è causato dalla codifica dello spin degli elettroni in seguito all'esposizione a impulsi luminosi. Giri ordinati a sinistra; giri strapazzati a destra. Credito: immagine del Laboratorio nazionale Argonne

Tecniche di imaging ultraveloce all'avanguardia hanno rivelato un movimento meccanico ultraveloce legato a un cambiamento dello stato magnetico in un materiale stratificato. Questo intrigante effetto magnetico potrebbe avere applicazioni nei nanodispositivi che richiedono un controllo del movimento ultra preciso e veloce.

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. Hanno scoperto che quando si sospende un cilindro di ferro a un filo e lo si espone a un campo magnetico, inizia a ruotare se la direzione del campo magnetico viene invertita.

"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 mai toccarlo."

“In questo esperimento, una proprietà microscopica, lo spin dell’elettrone, viene sfruttata per suscitare una risposta meccanica in un cilindro, un oggetto macroscopico”.

— Alfred Zong, Miller Research Fellow at the University of California, BerkeleyLocated in Berkeley, California and founded in 1868, University of California, Berkeley is a public research university that also goes by UC Berkeley, Berkeley, California, or Cal. It maintains close relationships with three DOE National Laboratories: Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Lawrence Livermore National Laboratory." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Università della California, Berkeley

Nella rivista scientifica Nature, un team di ricercatori dell'Argonne e di altri laboratori e università nazionali statunitensi riporta 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.

“Unlike a traditional magnet, FePS3 is special because it is formed in a layered structure, in which the interaction between the layers is extremely weak,” said Xiaodong Xu, professor of physics and materials science at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"University of Washington./p>

“This scrambling in electron spin leads to a mechanical response across the entire sample. Because the interaction between layers is weak, one layer of the sample is able to slide back and forth with respect to an adjacent layer,” explained Nuh Gedik, professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"MIT)./p>

“The pivotal discovery in our current research was finding a link between electron spin and atomic motion that is special to the layered structure of this antiferromagnet,” Zong said. ​“And because this link manifests at such short time and tiny length scales, we envision that the ability to control this motion by changing the magnetic field or, alternatively, by applying a tiny strain will have important implications for nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale devices.”/p>