La danza atomica dà origine ai magneti

I materiali quantistici rappresentano la chiave per il futuro dei sistemi informativi ultraveloci ed efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, il problema con lo sfruttamento del loro potenziale di trasformazione è che nei solidi, il semplice numero di atomi spesso soffoca le esotiche proprietà quantistiche degli elettroni.

Università del Riso I ricercatori del Laboratorio dei Materiali Quantistici, lo scienziato dei materiali Hanyu Zhou, hanno scoperto che quando gli atomi si muovono in circolo, possono anche compiere miracoli: quando il reticolo atomico in un cristallo di terre rare viene animato da una vibrazione a forma di interruttore nota come fonone chirale, il cristallo si trasforma in una calamita. La ricerca è stata in parte sostenuta dalla National Science Foundation statunitense attraverso due sovvenzioni ricerca Sovvenzioni, tra cui a Premio professioneUno degli autori è NSF Ricercatore laureato. Lo studio è pubblicato in Scienze.

Secondo lo studio, l’esposizione del fluoruro di cerio a impulsi di luce ultraveloci manda i suoi atomi in una danza che mobilita momentaneamente la rotazione degli elettroni, portandoli in linea con la rotazione atomica. Poiché gli atomi ruotano solo a determinate frequenze e si muovono più a lungo a temperature più basse, ulteriori misurazioni dipendenti dalla frequenza e dalla temperatura confermano anche che la magnetizzazione avviene a causa della danza a spirale collettiva degli atomi.

“L'effetto del movimento atomico sugli elettroni è sorprendente perché gli elettroni sono molto più leggeri e più veloci degli atomi”, ha detto Zhou. “Le proprietà dei materiali rimarrebbero invariate se gli atomi si muovessero in senso orario o antiorario, cioè si muovessero avanti o indietro nel tempo – un fenomeno che i fisici chiamano simmetria del tempo inverso”.

L’idea che il movimento collettivo degli atomi rompa la simmetria tempo-inverso è relativamente recente. I fononi chirali sono stati ora dimostrati sperimentalmente in alcuni materiali diversi, ma il modo in cui influenzano le proprietà dei materiali non è ben compreso.

“Abbiamo deciso di concentrarci su un fenomeno affascinante chiamato accoppiamento spin-fonone”, ha detto Zhou. L'accoppiamento spin-fonone svolge un ruolo importante nelle applicazioni del mondo reale come la scrittura di dati su un disco rigido.

Nei loro nuovi esperimenti, Zhu e il team hanno dovuto trovare un modo per far muovere una rete di atomi in modo chirale. Ciò richiede la scelta del materiale giusto e la creazione di luce alla giusta frequenza per inviare il suo reticolo atomico in una spirale, con l’aiuto dei calcoli teorici dei collaboratori.

Oltre alle informazioni sull'accoppiamento spin-fonone derivate dai risultati della ricerca, la progettazione e l'impostazione sperimentale contribuiranno a informare la ricerca futura sui materiali magnetici e quantistici.