Un nuovo tipo di magnetismo

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 grazie alla cosiddetta interazione di scambio, ovvero 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 a una certa temperatura.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo guidati da Ata? Imamo?lu dell'Istituto di Elettronica Quantistica e Eugene Demler dell'Istituto di Fisica Teorica hanno dimostrato un nuovo tipo di ferromagnetismo in un materiale prodotto artificialmente in cui l'orientamento dei momenti magnetici è completamente diverso. I risultati sono stati appena pubblicati sulla rivista scientifica Nature.

Materiale artificiale con riempimento di elettroni

Nel laboratorio di Imamo?lu, il dottorando Livio Ciorciaro, il ricercatore post-dottorando 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 Imamo?lu. "Tuttavia, in precedenza si sapeva poco sulle loro proprietà magnetiche".

Per studiare queste proprietà magnetiche, Imamo?lu e i suoi collaboratori 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.

Riferimento sorprendente

Aumentando gradualmente la tensione, la fisica ha riempito il materiale di elettroni e ha 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 accaduto l'imprevisto: il materiale si è improvvisamente comportato in modo simile a un ferromagnete.

"Si tratta di un'indicazione sorprendente di un nuovo tipo di magnetismo che non può essere spiegato dall'interazione di scambio", afferma Imamo?lu. Se l'interazione di scambio fosse responsabile del magnetismo, esso si manifesterebbe già con un numero inferiore di elettroni nel reticolo. L'insorgenza improvvisa suggerisce quindi un effetto diverso.

Magnetismo cinetico

Eugene Demler, in collaborazione con il ricercatore post-dottorando 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 dell'ETH, 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 vengono interrotti gli effetti di sovrapposizione quantomeccanica che consentono la libera propagazione dei dobloni.

"Finora, tali meccanismi di magnetismo cinetico sono stati dimostrati solo in sistemi modello costituiti da quattro punti quantici, per esempio", dice Imamo?lu, "ma mai in sistemi estesi allo stato solido come il nostro".

Nel prossimo futuro, il ricercatore vorrebbe modificare i parametri del reticolo moiré per verificare se il ferromagnetismo 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.