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Mar 17, 2024

Un nuovo magnete quantistico libera il potenziale dell’elettronica

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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 modificare una proprietà fisica che ne definisce l'usabilità? Quale innovazione potrebbe catalizzare?

È una domanda che gli scienziati ricercatori del MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Hang Chi, Yunbo Ou, Jagadeesh Moodera e i loro coautori esplorano in un nuovo articolo ad accesso aperto di Nature Communications, "Strain-tunable Berry curvature in quasi-two tellururo di cromo bidimensionale.

Comprendere la portata 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 attraversata da corrente attraverso di essa, un lato della striscia avrebbe una carica maggiore dell'altro. Il campo magnetico deviava gli elettroni della corrente verso il bordo del metallo, un fenomeno che in suo onore sarebbe stato chiamato effetto Hall.

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 materiale elettrificato. metallo e magnete hanno prodotto l'effetto Hall, punto e basta. Solo che non lo era, in realtà; ora sappiamo che anche la meccanica quantistica gioca 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 visualizzazione macro e informazioni generali sull'area, ma non può preparare il conducente a tutti gli eventi casuali che potrebbe incontrare, come un armadillo che attraversa la strada. Gli spazi quantistici, come il viaggio che sta facendo il conducente, sono governati da un diverso insieme di regole del traffico locale. Quindi, mentre in un sistema classico l’effetto Hall è indotto da un campo magnetico applicato, 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 quantistico, si è dotati della conoscenza della cosiddetta “fase Berry”, dal nome del fisico britannico Michael Berry. Funziona come un registratore GPS per l'auto: è come se il conducente avesse registrato l'intero viaggio dall'inizio alla fine e, analizzando la cronologia GPS, si possono tracciare meglio gli alti e bassi, o "curvatura" dello spazio. Questa “curvatura a bacca” 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.

Anche se molti hanno osservato l'effetto Hall anomalo nei materiali magnetici, nessuno era stato in grado di manipolarlo comprimendolo e/o allungandolo, finché gli autori dell'articolo non hanno sviluppato un metodo per dimostrare il cambiamento nell'effetto Hall anomalo e nella curvatura Berry in un magnete insolito.

Per prima cosa, hanno preso basi spesse mezzo millimetro fatte di ossido di alluminio o titanato di stronzio, entrambi cristalli, e hanno sviluppato uno strato incredibilmente sottile di tellururo di cromo, un composto magnetico, sopra le basi. Da soli, questi materiali non farebbero molto; tuttavia, quando combinato, il magnetismo della pellicola e l'interfaccia creata con le basi su cui è stata cresciuta causavano l'allungamento o la compressione degli strati.

Per approfondire la loro comprensione di come questi materiali lavoravano insieme, i ricercatori hanno collaborato con la Spallation Neutron Source dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) per eseguire esperimenti di diffusione dei neutroni – essenzialmente facendo esplodere il materiale con colpi di particelle e studiando ciò che rimbalzava indietro – 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.