Scoperte le “frittelle impilate di magnetismo liquido”.

I fisici hanno scoperto “frittelle impilate di magnetismo liquido” che potrebbe spiegare lo strano comportamento elettronico di alcuni magneti elicoidali a strati.

Sfere magnetiche impilate, magnetismo – foto illustrativa. Credito immagine: Gustavo Candido da Silva tramite Unsplash, licenza gratuita

Comportamento del magnetismo modellato coerente con i risultati degli esperimenti sui magneti elicoidali, affermano gli scienziati.

I fisici della Rice University e dell’Ames Laboratory della Iowa State University hanno scoperto “pancake impilati di magnetismo liquido” che si formano in alcuni magneti elicoidali a causa dei cambiamenti nella disposizione dei dipoli magnetici quando il materiale si riscalda. A temperature molto basse (pannello inferiore), la disposizione ordinata dei dipoli porta al magnetismo. Ad alta temperatura (pannello superiore), i dipoli sono disordinati e il materiale non è magnetico. Pancakes di magnetismo simile a un liquido (pannello centrale) sorgono a una temperatura intermedia in cui le interazioni magnetiche all’interno degli strati 2D orizzontali sono molto più forti delle interazioni verticali tra gli strati. Illustrazione di M. Butcher, per gentile concessione di A. Nevidomskyy/Rice University

I materiali nello studio sono magnetici a basse temperature e diventano non magnetici quando si scongelano. E

Il fisico sperimentale, Makariy Tanatar dell’Ames National Laboratory della Iowa State University, ha notato un comportamento elettronico sconcertante in strati elimagnetico cristalli e portò il mistero all’attenzione del fisico teorico della Rice Andriy Nevidomskyyche ha lavorato con Tanatar ed ex studente laureato della Rice Matteo Macellaio per creare un modello computazionale che simulasse gli stati quantistici di atomi ed elettroni nei materiali stratificati.

I materiali magnetici subiscono una transizione di “scongelamento” mentre si riscaldano e diventano non magnetici.

I ricercatori hanno eseguito migliaia di Simulazioni al computer Montecarlo di questa transizione negli elimagneti e osservò come si disponevano i dipoli magnetici degli atomi all’interno del materiale durante il disgelo.

I loro risultati sono stati pubblicato in un recente studio nelle lettere di revisione fisica.

A livello submicroscopico, i materiali oggetto di studio sono composti da migliaia di cristalli 2D impilati uno sopra l’altro come pagine di un taccuino. In ogni foglio di cristallo, gli atomi sono disposti in reticoli e i fisici hanno modellato le interazioni quantistiche all’interno e tra i fogli.

“Siamo abituati a pensare che se prendi un solido, come un blocco di ghiaccio, e lo riscaldi, alla fine diventerà un liquido e, a una temperatura più alta, evaporerà e diventerà un gas”, ha detto Nevidomskyy. , professore associato di fisica e astronomia e membro del Iniziativa quantistica del riso.

“Un’analogia simile può essere fatta con i materiali magnetici, tranne per il fatto che nulla evapora nel vero senso della parola.

«Il cristallo è ancora intatto», disse. “Ma se osservi la disposizione dei piccoli dipoli magnetici – che sono come gli aghi della bussola – iniziano in una disposizione correlata, il che significa che se sai in che direzione punta uno di essi, puoi determinare in che direzione ognuno di essi punta , indipendentemente da quanto sia lontano nel reticolo.

“Questo è lo stato magnetico, il solido nella nostra analogia. Man mano che ti riscaldi, i dipoli alla fine diventeranno completamente indipendenti, o casuali, l’uno rispetto all’altro. È noto come paramagnete ed è analogo a un gas.»

Nevidomskyy ha affermato che i fisici in genere pensano che i materiali abbiano un ordine magnetico o ne siano privi.

“Un’analogia migliore dal punto di vista classico sarebbe un blocco di ghiaccio secco”, ha detto.

“In un certo senso dimentica la fase liquida e passa direttamente dal ghiaccio al gas. Ecco come sono di solito le transizioni magnetiche nei libri di testo. Ci viene insegnato che inizi con qualcosa di correlato, diciamo un ferromagnete, e ad un certo punto il parametro dell’ordine scompare e finisci con un paramagnete.

Tanatar, un ricercatore dell’Ames Laboratorio di superconduttività e magnetismo a bassa temperaturaaveva trovato segni che la transizione dall’ordine magnetico al disordine nei magneti elicoidali fosse segnata da una fase transitoria in cui le proprietà elettroniche, come la resistenza, differivano per direzione.

Ad esempio, potrebbero differire se fossero misurati orizzontalmente, da un lato all’altro, anziché verticalmente dall’alto verso il basso. Questo comportamento direzionale, che i fisici chiamano anisotropiaè un segno distintivo di molti materiali quantistici come superconduttori ad alta temperatura.

Comportamento del liquido magnetico – resa artistica. Credito immagine: Etienne Desclides tramite Unsplash, licenza gratuita

Ricerca sul magnetismo dei materiali stratificati

“Questi materiali stratificati non hanno lo stesso aspetto nelle direzioni verticale e orizzontale”, ha affermato Nevidomskyy. «Questa è l’anisotropia. L’intuizione di Makariy era che l’anisotropia stava influenzando il modo in cui il magnetismo si scioglie nel materiale, e la nostra modellazione ha dimostrato che ciò è vero e ha mostrato perché accade.

Il modello ha mostrato che il materiale passa attraverso una fase intermedia mentre passa dall’ordine magnetico al disordine. In quella fase, le interazioni di dipolo sono molto più forti all’interno dei fogli che tra di loro.

Inoltre, le correlazioni tra i dipoli assomigliavano a quelle di un liquido, piuttosto che di un solido. Il risultato sono “pozzanghere appiattite di liquidi magnetici che sono impilati come frittelle”, ha detto Nevidomskyy. In ogni frittella simile a una pozzanghera, i dipoli puntano all’incirca nella stessa direzione, ma quel senso dell’orientamento varia tra le frittelle vicine.

“È un gruppo di atomi tutti con i loro dipoli che puntano nella stessa direzione”, ha detto Nevidomskyy. “Ma poi, se sali di un livello, tutti puntano in una direzione casuale diversa.”

La disposizione atomica nel materiale “frustra” i dipoli e impedisce loro di allinearsi in una direzione uniforme in tutto il materiale. Invece, i dipoli negli strati si spostano, ruotando leggermente in risposta ai cambiamenti nelle frittelle vicine, cambiando il magnetismo.

“Le frustrazioni rendono difficile per le frecce, questi dipoli magnetici, decidere dove vogliono puntare, in un angolo o nell’altro”, ha detto Nevidomskyy. “E per alleviare quella frustrazione, tendono a ruotare e spostarsi in ogni strato.”

Tanatar disse: «L’idea è che tu abbia due fasi magnetiche in competizione. Stanno combattendo tra loro e di conseguenza hai una temperatura di transizione per queste fasi che è inferiore a quella che sarebbe senza competizione. E in questo scenario di competizione, i fenomeni che portano all’ordine magnetico sono diversi da quelli in cui non c’è questa competizione”.

Tanatar e Nevidomskyy hanno affermato che sebbene non vi sia un’applicazione immediata per questa scoperta del magnetismo, potrebbe comunque offrire suggerimenti sulla fisica ancora inspiegabile di altri materiali anisotropi come superconduttori ad alta temperatura.

Nonostante il nome, la superconduttività ad alta temperatura si verifica a temperature molto basse. Una teoria suggerisce che i materiali possono diventare superconduttori quando vengono raffreddati vicino a punto critico quanticouna temperatura sufficiente per sopprimere l’ordine magnetico a lungo raggio e dare origine a effetti causati da forti fluttuazioni quantistiche.

Ad esempio, è stato dimostrato che diversi materiali “genitori” magnetici ospitano superconduttività vicino a un punto critico quantistico in cui il magnetismo scompare.

“Una volta soppresso l’effetto principale, l’ordinamento magnetico a lungo raggio, potresti lasciare il posto a effetti più deboli come la superconduttività”, ha detto Tanatar.

“Questo è uno dei le principali teorie Di superconduttività non convenzionale. Nel nostro studio, dimostriamo che puoi fare la stessa cosa in modo diverso, con frustrazione o interazioni contrastanti.

Fonte: Università del Riso