Con il variare della temperatura, molti materiali subiscono dei cambiamenti, affrontando delle transizioni di fase, proprio come fa l’acqua quando diventa ghiaccio. A volte questi cambiamenti sono accompagnati da quelli che vengono chiamati cicli di isteresi che rendono le temperature di transizione diverse a seconda che il materiale venga raffreddato o riscaldato. Recentemente un team di ricercatori ha però scoperto una transizione isteretica davvero particolare e diversa da qualsiasi altra mai osservata.
Una transizione isteretica da record
Questa transizione isteretica anomala è stata individuata da un gruppo di ricerca guidato da Nuh Gedik, professore di fisica del MIT, in un composto stratificato chiamato EuTe 4. In questo cristallo infatti il ciclo di isteresi copre un intervallo di temperatura davvero enorme, ovvero di oltre 400 kelvin.
Si tratta di un intervallo di temperatura davvero gargantuesco per questo tipo di cicli e batte il record tra tutti i solidi cristallini sino ad ora studiati. La scoperta di una simile isteresi potrebbe portare addirittura alla scoperta di un nuovo tipo di transizione isteretica nei materiali con una struttura stratificata, come in questo cristallo.
La scoperta di un nuovo tipo di transizione potrebbe avere importanti conseguenze sullo studio del comportamento isteretico nei solidi in intervalli di temperatura estremi. Inoltre, i numerosi stati metastabili che risiedono all’interno di un ciclo di isteresi così enorme, potrebbero avere notevoli implicazioni anche nel controllo delle proprietà elettriche del materiale, che possono trovare applicazione negli interruttori elettrici di prossima generazione o nella memoria non volatile dei computer.
Le analisi su EuTe 4
Per arrivare a queste conclusioni, il team di ricerca ha condotto numerosi studi sperimentali presso impianti di sincrotrone davvero all’avanguardia, situati sia in Cina che negli USA. In questi impianti è possibile utilizzare sorgenti luminose brillanti che sono generate da particelle cariche in rapido movimento in una pista circolare lunga un chilometro. Queste sorgenti luminose sono state indirizzate dai ricercatori sul cristallo EuTe 4, in modo da riuscire a svelarne la struttura interna.
Dalle analisi i ricercatori hanno però scoperto qualcosa che non si aspettavano, ovvero la straordinaria transizione isteretica di questo cristallo. L’isteresi è un fenomeno in cui la risposta di un materiale a una perturbazione, come un cambiamento di temperatura, dipende dalla storia del materiale. Un’isteresi indica che il sistema è intrappolato in un minimo di energia locale ma non globale. Nei cristalli, dove c’è un modello periodico della disposizione atomica sull’intero cristallo, l’isteresi si verifica in un intervallo di temperatura abbastanza ristretto, da pochi Kelvin a massimo alcune decine.
Ma come spiega il post-dottorato Baiqing Lyu, del laboratorio del prof. Gedik e coautore dello studio, “in EuTe 4 abbiamo invece trovato un intervallo di temperatura estremamente ampio per l’isteresi superiore a 400 kelvin. Il numero effettivo potrebbe essere molto più grande, poiché questo valore è limitato dalle capacità delle attuali tecniche sperimentali. Questa scoperta ha immediatamente attirato la nostra attenzione e la nostra caratterizzazione sperimentale e teorica combinata di EuTe 4 sfida la saggezza convenzionale sul tipo di transizioni isteretiche che possono verificarsi nei cristalli.”
Le anomalie di questo cristallo
Questo atipico comportamento isteretico del cristallo EuTe 4 si manifesta anche nella resistenza elettrica del materiale. Raffreddando o riscaldando i cristalli di EuTe 4 infatti, i ricercatori sono stati in grado di variare la loro resistività elettrica di alcuni ordini di grandezza.
Come spiega Alfred Zong Ph.D. anche lui appartenente al team di Gedik, “il valore della resistività a una data temperatura, diciamo a temperatura ambiente, dipendeva dal fatto che il cristallo fosse più freddo o più caldo. Questa osservazione ci indica che la proprietà elettrica del materiale ha in qualche modo una memoria della sua storia termica, e al microscopio le proprietà del materiale possono conservare i tratti di una temperatura diversa in passato. Tale ‘memoria termica’ può essere usata come un registratore di temperatura permanente. Ad esempio, misurando la resistenza elettrica di EuTe 4 a temperatura ambiente, sappiamo immediatamente qual è la temperatura più fredda o più calda che il materiale ha sperimentato in passato”.
Ma le particolarità nel ciclo di isteresi di questo cristallo non finiscono qui. I ricercatori hanno infatti scoperto che, a differenza di altre transizioni di fase nei cristalli, in EuTu 4 non hanno osservato alcuna modifica nella struttura elettronica o reticolare nell’ampio intervallo di temperatura dell’isteresi.
Come spiega Lyu “a differenza di altre transizioni isteretiche che dipendono sensibilmente dalla velocità di raffreddamento o riscaldamento, il ciclo di isteresi di EuTe 4 non sembra influenzato da questo fattore“.
Le possibili cause di questa anomala transizione isteretica
Secondo i ricercatori la causa della peculiare transizione isteretica di questo cristallo, potrebbe essere dovuta alla disposizione dei suoi elettroni. Zong afferma infatti che “a temperatura ambiente, gli elettroni in un cristallo EuTe 4 condensano spontaneamente in regioni con densità bassa e alta, formando un cristallo elettronico secondario sopra il reticolo periodico originale. Riteniamo che le stranezze associate al ciclo di isteresi enorme possano essere correlate a questo cristallo elettronico secondario, in cui diversi strati di questo composto mostrano movimenti disordinati mentre stabiliscono la periodicità a lungo raggio”.
Come aggiunge Lyu dunque, “la debole interazione tra i cristalli secondari in diversi strati consente loro di muoversi l’uno rispetto all’altro, creando così molte configurazioni metastabili nel ciclo di isteresi.”
I ricercatori proseguiranno dunque i loro studi cercando di trovare altri modi, oltre ai cambiamenti di temperature, per indurre questi stati metastabili in EuTe 4. In questo modo infatti i ricercatori potrebbero giungere a manipolare le proprietà elettriche di questo cristallo in modi diversi e che potrebbero essere utili per sviluppi e ricerche tecnologiche.
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