A temperature più basse, gli spin formano motivi casuali, in cui ogni spin ruota come un’elica con una torsione particolare. Durante il riscaldamento del materiale, gli spin scelgono un particolare schema, un fenomeno che normalmente si verifica nei materiali magnetici quando la temperatura diminuisce. Crediti: Radboud University
Un gruppo di fisici ha osservato uno strano comportamento mai visto prima in un materiale magnetico quando è riscaldato: i momenti magnetici intrinseci delle particelle, o spin, si “congelano” quando la temperatura aumenta, un fenomeno che si verifica normalmente quando la temperatura diminuisce.
I ricercatori hanno scoperto lo strano fenomeno nel materiale neodimio, un elemento che hanno descritto diversi anni fa come un vetro di spin, ossia un magnete che può mostrare in modo casuale proprietà sia ferromagnetiche che antiferromagnetiche a causa della distribuzione probabilistica degli elementi interni che producono gli effetti magnetici (spin).
Il neodimio è un metallo appartenente al gruppo delle terre rare, o lantanidi. Se qualche lettore si è trovato, per necessità o semplice curiosità, a smontare un hard disk, potrebbe aver notato che al suo interno, in un angolo, c’è una mezza luna (magnetica) di metallo, che si solleva facilmente verso l’alto. Sotto alla mezza luna ce n’è un’altra, leggermente più piccola e più piatta. Ecco, questa seconda mezza luna, protetta dalla prima, è di neodimio. Se la usate come calamita da frigo scoprirete che è un super magnete, molto più potente delle normali calamite.
I vetri di spin sono tipicamente leghe in cui gli atomi di ferro, ad esempio, vengono mescolati casualmente in una griglia di atomi di rame. Ogni atomo di ferro si comporta come un piccolo magnete. L’orientamento interno degli spin, la cui somma vettoriale dà l’effetto macroscopico, è di tipo stocastico e varia con la temperatura.
Rappresentazione schematica della struttura casuale di un vetro di spin (in alto) e di un ferromagnete (in basso). Crediti: Wikimedia Commons
A differenza dei tradizionali vetri di spin, dove c’è una miscelazione casuale di materiali magnetici, il neodimio è un elemento chimico e, senza quantità significative di altri materiali, mostra un comportamento vetroso nella sua forma cristallina. Gli spin formano pattern che girano come eliche, in vortici casuali che cambiano costantemente.
In questo nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto che quando hanno riscaldato il neodimio da -268 a -265 gradi centigradi, gli spin si sono “congelati” in uno schema solido formando un tipo di magnete, alla temperatura più alta. Durante il raffreddamento del materiale, gli spin hanno ricominciato a ruotare casualmente. «Questo “congelamento” del pattern non si verifica normalmente nel materiale magnetico», afferma Alexander Khajetoorians, della Radboud University, nei Paesi Bassi.
In un materiale – solido, liquido o gas – all’aumentare della temperatura, aumenta l’energia. Lo stesso vale per un magnete: più è alta la temperatura, più gli spin iniziano ad agitarsi. «Il comportamento magnetico nel neodimio che abbiamo osservato è in realtà l’opposto di ciò che accade “normalmente”. È piuttosto controintuitivo, come se l’acqua diventasse un cubetto di ghiaccio quando viene riscaldata», spiega Khajetoorians.
Questi tipi di fenomeni non si trovano spesso in natura. Ci sono pochissimi materiali conosciuti che si comportano nel modo “sbagliato”. Un altro esempio ben noto è il sale di Rochelle, dove le cariche si accumulano e formano uno schema ordinato a temperatura più alta, mentre a temperatura più bassa si distribuiscono casualmente.
La complessa descrizione teorica dei vetri di spin è stata oggetto del Premio Nobel per la Fisica assegnato a Giorgio Parisi nel 2021. Capire come funzionano i vetri di spin è rilevante anche in altri campi scientifici. «Se alla fine riuscissimo a modellare il comportamento di questi materiali, questo potrebbe essere estrapolato al comportamento di un’ampia gamma di altri materiali» .
Lo strano comportamento del neodimio è legato al concetto di degenerazione, per cui molti stati diversi hanno la stessa energia e il sistema si dice che diventa “frustrato”. L’effetto della temperatura è quello di rompere questa difficile situazione: alcuni stati sopravvivono, consentendo al sistema di ordinarsi chiaramente in uno schema. Potremmo anche essere in grado di sfruttare questo comportamento per implementare nuovi tipi di memorizzazione delle informazioni o concept computazionali, come ad esempio il brain-like computing.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Physics l’articolo “Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium” di Benjamin Verlhac, Lorena Niggli, Anders Bergman, Umut Kamber, Andrey Bagrov, Diana Iuşan, Lars Nordström, Mikhail I. Katsnelson, Daniel Wegner, Olle Eriksson & Alexander A. Khajetoorians