La passione di Libor Šmejkal per le opere di M. C. Escher si è rivelata tutt'altro che un semplice interesse artistico. Il fisico di origine ceca, ora presso l'Università Johannes Gutenberg di Mainz, ha tratto ispirazione proprio dall'opera "Horseman" del 1946 per sviluppare una teoria che ha rivoluzionato la comprensione del magnetismo. L'elaborata simmetria dei cavalieri che si susseguono in colori alternati nell'opera di Escher ha fornito la chiave matematica per predire l'esistenza di un terzo tipo di magnetismo, completamente sconosciuto fino al 2022.
La scoperta che ridefinisce un secolo di certezze
Per oltre un secolo, la comunità scientifica ha dato per scontato che esistessero soltanto due forme di magnetismo. Da un lato i ferromagneti, quelli che conosciamo bene e che teniamo attaccati ai nostri frigoriferi, dove tutti i momenti magnetici puntano nella stessa direzione creando un campo magnetico forte e direzionale. Dall'altro gli antiferromagneti, scoperti solo negli anni '30, dove i momenti magnetici si alternano in direzioni opposte - su, giù, su, giù - annullandosi reciprocamente e non producendo magnetismo rilevabile su scala macroscopica.
Il modello teorico che descrive questi piccoli "magneti atomici" fu sviluppato dal fisico Louis Néel, che per questo lavoro ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1970. La sua rappresentazione mentale di minuscole frecce che puntano verso l'alto e verso il basso ha dominato la comprensione del magnetismo per quasi un secolo.
Quando l'arte incontra la fisica quantistica
Nel 2018, Šmejkal era un giovane dottorando a Praga che studiava un fenomeno enigmatico negli antiferromagneti chiamato effetto Hall anomalo. La sua intuizione rivoluzionaria fu comprendere che questo effetto non poteva essere spiegato con il modello di Néel tradizionale. Contemplando l'opera di Escher, dove i cavalieri si incastrano in colori alternati con una simmetria elaborata, Šmejkal realizò che esisteva un metodo matematico alternativo per descrivere queste operazioni di simmetria.
Prendendo uno dei cavalieri più chiari, capovolgendolo, spostandolo lateralmente e cambiandone il colore, si ottiene perfettamente uno dei cavalieri più scuri. Questa osservazione artistica si trasformò in una rivoluzione scientifica quando Šmejkal applicò lo stesso principio alla descrizione matematica del magnetismo, estendendo il modello di Néel in tre dimensioni e includendo atomi privi di momento magnetico.
L'altermagnetismo prende forma
Da questa nuova prospettiva matematica emerse una possibilità inedita. Gli atomi vicini potevano ancora avere momenti magnetici che puntavano in direzioni opposte, ma ogni atomo alternato sarebbe stato ruotato di 90 gradi. Šmejkal chiamò questo nuovo fenomeno "altermagnetismo", dove la rotazione può verificarsi quando atomi magnetici esistono in un mare di atomi non magnetici.
Sebbene le frecce continuino ad alternarsi puntando su e giù, gli atomi ruotati generano un effetto sottile che permette a parte del magnetismo di "filtrare" attraverso il materiale. Nel 2022, Šmejkal e i suoi colleghi pubblicarono quello che lui stesso definisce un "quadro matematico completo" dell'altermagnetismo, dimostrando che questi materiali combinano i vantaggi tanto ricercati dei ferromagneti e degli antiferromagneti.
La conferma sperimentale arriva nel 2024
La predizione teorica ha dovuto attendere solo due anni per trovare conferma sperimentale. Nel 2024, Juraj Krempaský del Paul Scherrer Institute in Svizzera e i suoi colleghi hanno studiato il tellururo di manganese, un composto ritenuto avere la struttura giusta per produrre altermagnetismo. Utilizzando fasci luminosi per tracciare i movimenti precisi degli elettroni all'interno del materiale, i ricercatori hanno scoperto che questi corrispondevano strettamente alle simulazioni previste per un altermagnete.
La scoperta ha aperto immediatamente nuove prospettive tecnologiche. Il problema fondamentale della spintronica - la tecnologia che utilizza sia la carica che lo spin degli elettroni per immagazzinare informazioni - era sempre stato trovare materiali in cui gli spin "su" e "giù" potessero essere separati in correnti distinte, mantenendo al contempo la possibilità di integrarli in chip minuscoli.
Una rivoluzione per l'informatica del futuro
Anna Hellenes, del gruppo di ricerca di Šmejkal, paragona questo effetto a una sala da ballo piena di ballerini. In un materiale non magnetico, tutte le coppie che danzano in senso orario o antiorario rimangono mescolate sulla pista da ballo. "Ma se ora abbiamo la divisione dello spin, questi ballerini che girano in una direzione possono separarsi dagli altri che girano nell'altra direzione e danzare separatamente", spiega.
I ferromagneti tradizionali permettevano questa separazione degli spin, ma presentavano un problema insormontabile: quando si cerca di concentrare molti ferromagneti su un chip minuscolo, si attraggono o si respingono reciprocamente. Gli altermagneti potrebbero superare questo ostacolo combinando l'assenza di magnetizzazione netta con la capacità di dividere gli spin elettronici.
Verso applicazioni pratiche
I ricercatori stanno già sperimentando metodi per creare nuovi materiali altermagneti. Un approccio prevede di applicare tensione meccanica a antiferromagneti noti, deformando la simmetria magnetica interna per indurre altermagnetismo. Nel 2024, il team guidato da Atasi Chakraborty ha dimostrato che applicando compressione al diossido di renio si può innescare una transizione verso uno stato altermagnetico.
Un gruppo di ricercatori del Beijing Institute of Technology ha inoltre scoperto che è possibile creare le giuste perturbazioni magnetiche stratificando un antiferromagnete tra strati di materiali diversi, come un sandwich. Oliver Amin dell'Università di Nottingham, che ha creato la prima immagine sperimentale del tellururo di manganese, è ottimista: "Nei prossimi 10 anni, potrei facilmente vedere questi materiali diventare commercialmente viabili".
Šmejkal e i suoi colleghi hanno identificato almeno 200 candidati materiali attraverso modelli computazionali, e oltre al tellururo di manganese, esistono forti evidenze che anche il diossido di rutenio sia un altermagnete. Ma il fisico ceco ha già un'altra sorpresa: in un paper non ancora sottoposto a revisione paritaria, predice l'esistenza di un quarto tipo di magnetismo chiamato "antialtermagnetismo", dove gli spin vicini non solo si alternano su e giù, ma formano anche pattern a zigzag. Come nelle opere di Escher, più si guarda il magnetismo, più dettagli affascinanti emergono.