Sbloccare il potenziale dei materiali magnetici

A cura dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia, 4 febbraio 2023

Un materiale magnetico è esposto a due raggi laser i cui campi elettrici girano in direzioni opposte. Il materiale respinge la luce. Se c'è una differenza tra l'intensità della luce diffusa dai due raggi, il materiale è in una fase topologica. Credito: Jörg Harms, MPSD

Le fasi topologiche non sono limitate ai sistemi elettronici e possono esistere anche in materiali magnetici caratterizzati da onde magnetiche, detti magnoni. Sebbene gli scienziati abbiano sviluppato metodi per produrre e misurare le correnti magnoniche, devono ancora osservare direttamente una fase topologica magnonica.

Un magnon viaggia attraverso un materiale magnetico disturbandone l'ordine magnetico, in modo simile a come un'onda sonora viaggia nell'aria. Quest'ordine può essere immaginato come un insieme di trottole che condividono un particolare asse di rotazione. L'effetto dell'onda è quello di inclinare leggermente gli assi attorno ai quali ruotano le trottole.

Una fase magnonica topologica è associata a canali che possono trasportare una corrente di magnoni lungo i bordi del campione. I ricercatori sperano che tali canali marginali possano essere utilizzati per trasportare informazioni nei futuri dispositivi spintronici, analogamente a come le correnti elettriche vengono utilizzate per trasmettere segnali nei dispositivi elettronici. Tuttavia, prima che tali tecnologie possano essere realizzate, gli scienziati devono trovare un modo per verificare se una fase magnetica è topologica o meno.

The transatlantic research team studied a class of magnetic materials structurally similar to grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> grafene e li ha esposti alla luce laser con polarizzazione destrorsa o sinistrorsa, dove il campo elettrico del laser gira in senso orario o antiorario attorno all'asse del raggio laser. I ricercatori hanno analizzato la luce diffusa dal materiale e hanno dimostrato che, se l'intensità diffusa è diversa per le due polarizzazioni, il materiale è in una fase topologica. Al contrario, se non vi è alcuna differenza nell’intensità della luce diffusa, il materiale non si trova in una fase topologica. Le proprietà della luce diffusa fungono quindi da chiari indicatori delle fasi topologiche in questi materiali magnetici.

La tecnica è facile da implementare e può essere estesa anche ad altre quasiparticelle, afferma l'autore principale Emil Viñas Boström: "La diffusione Raman è una tecnica sperimentale standard disponibile in molti laboratori, che è uno dei punti di forza di questa proposta. Inoltre, la nostra i risultati sono abbastanza generali e si applicano altrettanto bene ad altri tipi di sistemi costituiti da fononi, eccitoni o fotoni."

A lungo termine, si spera che i magnoni possano essere utilizzati per costruire dispositivi tecnologici più sostenibili con un consumo energetico molto più basso: "L'utilizzo delle correnti magnoniche topologiche potrebbe potenzialmente ridurre il consumo energetico dei futuri dispositivi di un fattore di circa 1.000 rispetto a quelli elettronici". dispositivi, anche se ci sono molti problemi da risolvere finché non si arriva a quel punto", afferma Viñas Boström.

Reference: "Direct Optical Probe of Magnon Topology in Two-Dimensional Quantum Magnets" by Emil Viñas Boström, Tahereh Sadat Parvini, James W. McIver, Angel Rubio, Silvia Viola Kusminskiy and Michael A. Sentef, 13 January 2023, Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.026701/p>