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Apr 27, 2023

La "pila di frittelle" può spiegare il comportamento strano del magnete

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

I materiali oggetto dello studio sono magnetici a basse temperature e diventano non magnetici quando si scongelano.

Il fisico sperimentale Makariy Tanatar dell'Ames National Laboratory presso l'Iowa State University ha notato un comportamento elettronico sconcertante nei cristalli elimagnetici stratificati e ha portato il mistero all'attenzione del fisico teorico della Rice University Andriy Nevidomskyy, che ha lavorato con Tanatar e l'ex studente laureato della Rice Matthew Butcher per creare un sistema computazionale modello che simulava 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 computerizzate Monte Carlo di questa transizione negli elimagneti e hanno osservato come i dipoli magnetici degli atomi all’interno del materiale si sono disposti durante il disgelo. I loro risultati appaiono in Physical Review Letters.

A livello submicroscopico, i materiali oggetto di studio sono composti da migliaia di cristalli 2D impilati uno sopra l’altro come le pagine di un taccuino. In ogni foglio di cristallo, gli atomi sono disposti in reticoli e i fisici hanno modellato le interazioni quantistiche sia all’interno che 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 elevata, evaporerà e diventerà un gas", afferma Nevidomskyy. , professore associato di fisica e astronomia e membro della Rice Quantum Initiative. "Un'analogia simile può essere fatta con i materiali magnetici, tranne che nulla evapora nel vero senso della parola.

"Il cristallo è ancora intatto", dice. "Ma se guardi la disposizione dei piccoli dipoli magnetici - che sono come gli aghi di una bussola - iniziano in una disposizione correlata, il che significa che se sai in che direzione punta uno di essi, puoi determinare in che direzione punta ciascuno di essi. , indipendentemente da quanto sia distante 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. Questo è noto come paramagnete , ed è analogo a un gas."

Nevidomskyy afferma che i fisici in genere pensano ai materiali che hanno un ordine magnetico o che ne sono privi.

"Un'analogia migliore dal punto di vista classico sarebbe un blocco di ghiaccio secco", dice. "In un certo senso si dimentica della 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 si inizia con qualcosa di correlato, diciamo un ferromagnete, e ad un certo punto il parametro dell'ordine scompare e ti ritrovi con un paramagnete."

Tanatar, ricercatore presso il Laboratorio di superconduttività e magnetismo a bassa temperatura di Ames, aveva trovato segni che la transizione dall'ordine magnetico al disordine nei magneti elicoidali era segnata da una fase transitoria in cui le proprietà elettroniche, come la resistenza, differivano in base alla direzione. Ad esempio, potrebbero differire se misurati orizzontalmente, da un lato all'altro, anziché verticalmente dall'alto verso il basso. Questo comportamento direzionale, che i fisici chiamano anisotropia, è un segno distintivo di molti materiali quantistici come i superconduttori ad alta temperatura.

"Questi materiali stratificati non hanno lo stesso aspetto nelle direzioni verticale e orizzontale", afferma Nevidomskyy. "Questa è l'anisotropia. L'intuizione di Makariy era che l'anisotropia influenzava il modo in cui il magnetismo si scioglie nel materiale, e il nostro modello ha dimostrato che ciò è vero e ha mostrato perché ciò accade."

Il modello ha mostrato che il materiale attraversa una fase intermedia mentre passa dall’ordine magnetico al disordine. In quella fase, le interazioni dipolo sono molto più forti all'interno dei fogli che tra di loro. Inoltre, le correlazioni tra i dipoli somigliavano a quelle di un liquido, piuttosto che di un solido. Il risultato sono "pozzanghere appiattite di liquidi magnetici impilati come frittelle", afferma Nevidomskyy. In ciascuna frittella simile a una pozzanghera, i dipoli puntano più o meno nella stessa direzione, ma il senso della direzione varia tra frittelle vicine.