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Scoperto uno stato magnetico della materia a lungo previsto chiamato "isolante eccitonico antiferromagnetico". "In generale, questo è un nuovo tipo di magnete", ha detto il fisico del Brookhaven Lab Mark Dean, autore senior di un articolo che descrive la ricerca appena pubblicata su Nature Communications. "Poiché i materiali magnetici sono al centro di gran parte della tecnologia che ci circonda, i nuovi tipi di magneti sono fondamentalmente affascinanti e promettenti per le applicazioni future".
Il nuovo stato comporta una forte attrazione magnetica tra gli elettroni in un materiale stratificato che fa sì che gli elettroni vogliano organizzare i loro momenti magnetici, o "spin", in un normale modello "antiferromagnetico" su-giù. L'idea che tale antiferromagnetismo potesse essere guidato da un bizzarro accoppiamento elettronico in un materiale isolante fu predetta per la prima volta nel 1960 quando i fisici esplorarono le diverse proprietà di metalli, semiconduttori e isolanti.
"Sessant'anni fa, i fisici stavano appena iniziando a considerare come le regole della meccanica quantistica si applicano alle proprietà elettroniche dei materiali", ha spiegato Daniel Mazzone, un ex fisico del Brookhaven Lab che ha guidato lo studio ed è ora al Paul Scherrer Institut in Svizzera.
La previsione era che, in determinate condizioni, si potesse ottenere qualcosa di più interessante: vale a dire, l'"isolante eccitonico antiferromagnetico" appena scoperto dal team di Brookhaven. Perché questo materiale è così esotico e interessante? Per capire, immergiamoci in questi termini ed esploriamo come si forma questo nuovo stato della materia.
In un antiferromagnete, gli elettroni sugli atomi adiacenti hanno i loro assi di polarizzazione magnetica (spin) allineati in direzioni alternate: su, giù, su, giù e così via. Sulla scala dell'intero materiale questi orientamenti magnetici interni alternati si annullano a vicenda, con conseguente assenza di magnetismo netto del materiale complessivo. Tali materiali possono essere commutati rapidamente tra diversi stati. Sono anche resistenti alla perdita di informazioni a causa di interferenze da campi magnetici esterni. Queste proprietà rendono i materiali antiferromagnetici attraenti per le moderne tecnologie di comunicazione.
Poi abbiamo l'eccitonico. Gli eccitoni sorgono quando determinate condizioni consentono agli elettroni di muoversi e interagire fortemente tra loro per formare stati legati. Gli elettroni possono anche formare stati legati con "buchi", i posti vacanti lasciati indietro quando gli elettroni saltano in una posizione diversa o livello di energia in un materiale. Nel caso delle interazioni elettrone-elettrone, il legame è guidato da attrazioni magnetiche che sono abbastanza forti da superare la forza repulsiva tra le due particelle con cariche simili. Nel caso delle interazioni elettrone-foro, l'attrazione deve essere abbastanza forte da superare il "gap energetico" del materiale, una caratteristica di un isolante.
"Un isolante è l'opposto di un metallo; è un materiale che non conduce elettricità", ha spiegato Dean. Gli elettroni nel materiale generalmente rimangono in uno stato di energia bassa, o "terra". "Gli elettroni sono tutti bloccati sul posto, come le persone in un anfiteatro pieno; non possono muoversi". Per far muovere gli elettroni, devi dare loro una spinta di energia abbastanza grande da superare un divario caratteristico tra lo stato fondamentale e un livello di energia più elevato.
In circostanze molto speciali, il guadagno di energia derivante dalle interazioni magnetiche elettrone-foro può superare il costo energetico degli elettroni che saltano attraverso il divario energetico. Ora, grazie a tecniche avanzate, i fisici possono esplorare quelle circostanze speciali per imparare come emerge lo stato isolante eccitonico antiferromagnetico.
Un team ha lavorato con un materiale chiamato ossido di iridio e di stronzio (Sr3Ir2O7), che è a malapena isolante ad alta temperatura. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory) e Jennifer Sears (Brookhaven Lab) hanno utilizzato i raggi X presso l'Advanced Photon Source, una struttura utente del DOE Office of Science presso l'Argonne National Laboratory, per misurare le interazioni magnetiche e il costo energetico associato degli elettroni in movimento. Anche Jian Liu e Junyi Yang dell'Università del Tennessee e gli scienziati di Argonne Mary Upton e Diego Casa hanno dato importanti contributi.
Il team ha iniziato le indagini ad alta temperatura e ha gradualmente raffreddato il materiale. Con il raffreddamento, il divario energetico si è gradualmente ridotto. A 285 Kelvin, gli elettroni hanno iniziato a saltare tra gli strati magnetici del materiale, ma hanno immediatamente formato coppie legate con i fori che avevano lasciato, innescando contemporaneamente l'allineamento antiferromagnetico degli spin degli elettroni adiacenti. Hidemaro Suwa e Christian Batista dell'Università del Tennessee hanno eseguito calcoli per sviluppare un modello utilizzando il concetto di isolante eccitonico antiferromagnetico previsto e hanno dimostrato che questo modello spiega in modo completo i risultati sperimentali.
"Usando i raggi X abbiamo osservato che il legame innescato dall'attrazione tra elettroni e buchi in realtà restituisce più energia rispetto a quando l'elettrone saltava oltre il gap di banda", ha spiegato Yao Shen. "Poiché l'energia viene risparmiata da questo processo, tutti gli elettroni tendono a farlo. Quindi, dopo che tutti gli elettroni hanno compiuto la transizione, il materiale sembra diverso dallo stato ad alta temperatura in termini di disposizione complessiva di elettroni e spin. La nuova configurazione prevede che gli spin degli elettroni siano ordinati in uno schema antiferromagnetico mentre le coppie legate creano uno stato isolante "bloccato".
L'identificazione dell'isolante eccitonico antiferromagnetico completa un lungo viaggio alla scoperta degli affascinanti modi in cui gli elettroni scelgono di disporsi nei materiali. In futuro, la comprensione delle connessioni tra spin e carica in tali materiali potrebbe avere il potenziale per realizzare nuove tecnologie.