Il magnetismo è una forza che ha affascinato l’umanità per millenni, rendendo possibili innumerevoli applicazioni tecniche, dai semplici compassi ai motori elettrici, fino ai generatori di energia. Tuttavia, fino ad oggi, la capacità di modificare in modo continuo il tipo di magnetismo presente in un cristallo è stata un’impresa impossibile. Un team internazionale di ricerca guidato dal professor Andrej Pustogow della TU Wien ha ora raggiunto questo obiettivo, cambiando il magnetismo “premendo un pulsante”. La scoperta, pubblicata sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters, potrebbe rivoluzionare il campo dello storage dei dati e del calcolo quantistico, controllando la frustrazione geometrica e le proprietà magnetiche.
Il fascino del magnetismo
Il magnetismo è influenzato dal comportamento degli elettroni. Queste minuscole particelle possono creare una corrente elettrica grazie alla loro carica, che a sua volta può produrre un campo magnetico. Inoltre, il magnetismo può emergere dall’allineamento coordinato dei momenti magnetici, o spin, all’interno di una sostanza. La ricerca fondamentale si sta sempre più interessando ad altre forme di magnetismo, particolarmente rilevanti per la sicurezza nella memorizzazione dei dati e come potenziali piattaforme per i computer quantistici.
Ferromagnetismo e antiferromagnetismo
Gli spin possono essere visualizzati come piccole bussole che possono allinearsi in un campo magnetico esterno e possedere a loro volta un campo magnetico. Nel caso del ferromagnetismo, utilizzato nei magneti permanenti, tutti gli spin degli elettroni si allineano parallelamente tra loro. In alcuni arrangiamenti degli spin degli elettroni, come nelle ordinarie strutture a scacchiera dei cristalli quadrati, è possibile anche un allineamento antiparallelo degli spin: gli spin adiacenti puntano sempre alternativamente in direzioni opposte.
La frustrazione geometrica
Con le strutture a griglia triangolare, un allineamento completamente antiparallelo non è possibile: se due angoli di un triangolo hanno direzioni di spin opposte, il lato rimanente deve corrispondere a una delle due direzioni. Entrambe le opzioni – spin su o spin giù – sono quindi esattamente equivalenti. Questa possibilità di molteplici alternative identiche è nota come “frustrazione geometrica” e si verifica nelle strutture cristalline con spin degli elettroni disposti in reticoli triangolari, kagome o a nido d’ape.
La pressione cambia la frustrazione
Per cambiare il magnetismo nel materiale esaminato “premendo un pulsante”, i ricercatori hanno messo il cristallo sotto pressione. Partendo da una struttura kagome, il reticolo cristallino è stato deformato da uno stress uniaxiale, che ha cambiato le interazioni magnetiche tra gli elettroni. Il team è riuscito ad aumentare la temperatura della transizione di fase magnetica di oltre il dieci percento. Mentre nel caso attuale la frustrazione geometrica è stata ridotta dalla pressione meccanica, il team di ricerca ora punta ad aumentare la frustrazione per eliminare completamente l’antiferromagnetismo e realizzare un liquido di spin quantistico come descritto in precedenza.
La possibilità di controllare attivamente la frustrazione geometrica attraverso lo stress meccanico uniaxiale apre la porta a manipolazioni impensabili delle proprietà dei materiali “premendo un pulsante”, riassume Andrej Pustogow.
