Fisica: scoperto uno stato magnetico esotico della materia

Un team di scienziati degli Stati Uniti ha scoperto uno stato magnetico della materia, trovato da anni e denominato “isolante eccitonico antiferromagnetico“. Più in generale questo è un nuovo tipo di magnete e poiché i materiali magnetici sono al centro di gran parte della tecnologia che li circonda, i nuovi tipi di magneti sono davvero affascinanti e promettenti per applicazioni future.

Questo nuovo stato magnetico comporta una forte attrazione tra gli elettroni in un materiale stratificato che permette agli elettroni stessi di organizzare i loro momenti magnetici in un normale schema “antiferromagnetico”. Questa idea è stata prevista per la prima volta negli anni ’60 quando i fisici esploravano le diverse proprietà di metalli, semiconduttori e isolanti.

Fisica, scoperto un nuovo stato della materia

In quegli anni la fisica stava ancora cercando di capire come le regole della meccanica si applicano alle proprietà elettronica dei materiali. Stavano cercando di capire cosa succede mentre si rimpicciolisce il divario energetico elettronico tra un isolante e un conduttore. Tuttavia è solo questo o succede altro? La previsione era quella che in determinate condizioni, potesse succedere qualcosa di più interessante, ossia l‘”isolante eccitonico antiferromagnetico”, scoperto ora nel nuovo studio. Tuttavia perché questo materiale è cosi interessante? Per capirlo dobbiamo entrare meglio all’interno di come si forma un nuovo stato della materia.

In un antiferromagnete, gli elettroni sugli atomi adiacenti hanno i loro assi di polarizzazione magnetica allineati in direzioni alternate. Per ciò che riguarda l’intero materiali questi orientamenti magnetici si annullano a vicenda, risultando in nessun magnetismo netto all’interno del materiale. Questi materiali possono essere sostituiti in modo molto rapido tra diversi stati. Sono anche abbastanza resistenti alla perdita di informazioni a causa dell’interferenza dei campi magnetici esterni. Queste specifiche proprietà sono molto attraenti e interessanti per le moderne tecnologie di comunicazione. Poi i ricercatori hanno affrontato l’eccitonico; gli eccitoni si verificano quando determinate condizioni consentono agli elettroni di muoversi e interagire tra di loro per formare stati legati.

Energia tra le interazioni elettrone-lacuna

Nel caso delle interazioni elettrone-elettrone, il legame è guidato da attrazioni magnetiche sufficientemente forti da superare la forza repulsiva tra le due particelle con carica simile. Nel caso delle interazioni elettrone-lacuna, l’attrazione deve essere sufficientemente forte da superare il “gap energetico” del materiale, una caratteristica di un isolante. Quest’ultimo è l’opposto di un metallo; è un materiale che non conduce elettricità. Per far muovere gli elettroni, hanno bisogno di una spinta di energia abbastanza grande da superare un divario caratteristico tra lo stato fondamentale e un livello di energia più elevato.

In circostanze davvero speciali il guadagno di energia tra le interazioni magnetiche elettrone-lacuna possono superare il costo energetico degli elettroni che salta il gap energetico. Ora, grazie a tecniche avanzate, i fisici possono esplorare quelle circostanze speciali per imparare come emerge lo stato di isolante eccitonico antiferromagnetico. L’identificazione dell’isolante eccitonico antiferromagnetico completa un lungo viaggio esplorando gli affascinanti modi in cui gli elettroni scelgono di organizzarsi nei materiali. In futuro, la comprensione delle connessioni tra spin e carica in tali materiali potrebbe avere il potenziale per la realizzazione di nuove tecnologie.

Foto di MasterTux da Pixabay