Gli scienziati hanno appena scoperto un nuovo tipo di magnetismo

“La vera ragione per cui abbiamo il magnetismo nella nostra vita quotidiana è a causa della forza delle interazioni di scambio di elettroni”, ha detto il coautore dello studio Ataç İmamoğlu, fisico anche lui presso l’Istituto di elettronica quantistica.

Tuttavia, come teorizzato da Nagaoka negli anni ’60, le interazioni di scambio potrebbero non essere l’unico modo per rendere magnetico un materiale. Nagaoka immaginò un reticolo quadrato e bidimensionale in cui ogni sito del reticolo aveva un solo elettrone. Quindi capì cosa sarebbe successo se avessi rimosso uno di quegli elettroni in determinate condizioni. Quando gli elettroni rimanenti del reticolo interagivano, il buco in cui si trovava l’elettrone mancante si muoveva attorno al reticolo.

Nello scenario di Nagaoka, l’energia complessiva del reticolo sarebbe al minimo quando gli spin degli elettroni fossero tutti allineati. Ogni configurazione elettronica avrebbe lo stesso aspetto, come se gli elettroni fossero tessere identiche nel puzzle a tessere scorrevoli più noioso del mondo. Questi giri paralleli, a loro volta, renderebbero il materiale ferromagnetico.

Quando due griglie con una torsione fanno esistere un modello

İmamoğlu e i suoi colleghi avevano la sensazione che avrebbero potuto creare il magnetismo di Nagaoka sperimentando con fogli di atomi a strato singolo che potevano essere impilati insieme per formare un intricato motivo moiré (pronunciato mwah-ray). Nei materiali atomicamente sottili e stratificati, i motivi moiré possono alterare radicalmente il comportamento degli elettroni, e quindi dei materiali. Ad esempio, nel 2018 il fisico Pablo Jarillo-Herrero e i suoi colleghi hanno dimostrato che pile di grafene a due strati acquisiscono la capacità di supercondurre quando spostano i due strati con una torsione.

Da allora i materiali moiré sono emersi come un nuovo sistema avvincente in cui studiare il magnetismo, affiancati a nuvole di atomi superraffreddati e materiali complessi come i cuprati. “I materiali moiré ci forniscono un terreno di gioco per, fondamentalmente, sintetizzare e studiare gli stati degli elettroni a molti corpi”, ha detto İmamoğlu.

I ricercatori hanno iniziato sintetizzando un materiale da monostrati di semiconduttori diseleniuro di molibdeno e disolfuro di tungsteno, che appartengono a una classe di materiali che le simulazioni precedenti avevano suggerito potessero mostrare un magnetismo in stile Nagaoka. Hanno quindi applicato deboli campi magnetici di varia intensità al materiale moiré monitorando quanti giri di elettroni del materiale erano allineati con i campi.

I ricercatori hanno poi ripetuto queste misurazioni applicando tensioni diverse attraverso il materiale, che hanno cambiato il numero di elettroni presenti nel reticolo moiré. Hanno trovato qualcosa di strano. Il materiale era più incline ad allinearsi con un campo magnetico esterno – cioè a comportarsi in modo più ferromagnetico – solo quando aveva fino al 50% in più di elettroni rispetto ai siti reticolari. E quando il reticolo aveva meno elettroni rispetto ai siti reticolari, i ricercatori non hanno visto segni di ferromagnetismo. Questo era l’opposto di quello che si sarebbero aspettati di vedere se il ferromagnetismo di Nagaoka standard fosse stato all’opera.

Comunque il materiale si stesse magnetizzando, le interazioni di scambio non sembravano guidarlo. Ma anche le versioni più semplici della teoria di Nagaoka non spiegavano completamente le sue proprietà magnetiche.

Quando le tue cose si magnetizzano e rimani un po’ sorpreso

Alla fine, si è trattato di movimento. Gli elettroni riducono la loro energia cinetica diffondendosi nello spazio, il che può far sì che la funzione d’onda che descrive lo stato quantico di un elettrone si sovrapponga a quella dei suoi vicini, legando insieme i loro destini. Nel materiale del team, una volta che nel reticolo moiré c’erano più elettroni che siti nel reticolo, l’energia del materiale diminuiva quando gli elettroni in più si delocalizzavano come nebbia pompata su un palco di Broadway. Si sono poi accoppiati fugacemente con gli elettroni nel reticolo per formare combinazioni di due elettroni chiamate dobloni.

Questi elettroni extra itineranti, e i dobloni che continuavano a formare, non potevano delocalizzarsi e diffondersi all’interno del reticolo a meno che gli elettroni nei siti reticolari circostanti non avessero tutti spin allineati. Mentre il materiale perseguiva incessantemente il suo stato di energia più bassa, il risultato finale fu che i dobloni tendevano a creare regioni ferromagnetiche piccole e localizzate. Fino ad una certa soglia, quanti più dobloni attraversano un reticolo, tanto più ferromagnetico diventa rilevabile il materiale.