Insolito movimento ultraveloce scoperto in materiali magnetici stratificati

La scoperta è stata ispirata dagli esperimenti di Einstein e de Haas.

I materiali magnetici sono stati a lungo oggetto di ricerca su come la configurazione di spin microscopica si traduca in proprietà insolite su scala di lunghezza macroscopica. Uno di questi esempi è l’effetto Einstein-de Haas nei ferromagneti, che consente di trasferire il momento angolare degli spin nella rotazione meccanica di un intero oggetto. Tuttavia, non è ancora chiaro come l’ordine di spin si accoppi al movimento macroscopico negli antiferromagneti senza un momento magnetico netto.

In un nuovo studio, un team di ricercatori dell'Argonne e di altri laboratori e università nazionali statunitensi riporta ora un effetto analogo ma diverso in un "anti"-ferromagnete. In questo esperimento, i ricercatori hanno sfruttato lo spin degli elettroni per suscitare una risposta meccanica in un cilindro, un oggetto macroscopico.

Negli antiferromagneti, ad esempio, gli spin degli elettroni si alternano dall'alto verso il basso tra gli elettroni adiacenti invece di puntare sempre verso l'alto. Gli antiferromagneti non reagiscono ai cambiamenti in un campo magnetico come i ferromagneti perché i loro spin opposti si annullano a vicenda.

Haidan Wen, un fisico delle divisioni Scienza dei materiali e Scienza dei raggi X dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ha dichiarato: "La domanda che ci siamo posti è: può lo spin dell'elettrone suscitare una risposta in un antiferromagnete che sia diversa?" ma simile nello spirito a quello della rotazione del cilindro nell’esperimento di Einstein-de Hass?”

I ricercatori hanno creato un campione del trisolfuro di ferro e fosforo antiferromagnete (FePS3) per fornire una risposta a questa domanda. Ogni strato del campione, composto da diversi strati di FePS3, aveva uno spessore di solo pochi atomi. FePS3 è unico per un magnete convenzionale poiché è creato in una struttura a strati con un'interazione molto debole tra gli strati.

Wen ha dichiarato: “Abbiamo progettato una serie di esperimenti corroboranti in cui abbiamo sparato impulsi laser ultraveloci su questo materiale stratificato e misurato i cambiamenti risultanti nelle proprietà del materiale con impulsi ottici, a raggi X ed elettronici”.

I ricercatori hanno scoperto che gli impulsi alterano le proprietà magnetiche del materiale confondendo l'orientamento ordinato degli spin degli elettroni. Invece di alternare sistematicamente su e giù, le frecce per lo spin degli elettroni sono ora disorganizzate.

Nuh Gedik, professore di fisica presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT), ha dichiarato: “Questa codifica dello spin degli elettroni porta a una risposta meccanica nell’intero campione. Poiché l’interazione tra gli strati è debole, uno strato del campione può scivolare avanti e indietro rispetto a uno strato adiacente”.

Il tempo di oscillazione per questo movimento è estremamente breve: da 10 a 100 picosecondi. La definizione di picosecondo è un trilionesimo di secondo. La luce si muove solo di un terzo di millimetro in un picosecondo a causa della velocità con cui ciò accade.

Sono necessarie strutture scientifiche di livello mondiale per misurare campioni con risoluzione spaziale su scala atomica e risoluzione temporale su scala di picosecondi. Per raggiungere questo obiettivo gli scienziati hanno utilizzato sonde ultraveloci all'avanguardia che analizzano le strutture atomiche utilizzando fasci di elettroni e raggi X.

I primi esperimenti hanno utilizzato l’apparecchiatura di diffrazione elettronica ultraveloce mega-elettronvolt presso lo SLAC National Accelerator Laboratory e sono stati ispirati da misurazioni ottiche presso l’Università di Washington. Nell'impianto di diffrazione elettronica ultraveloce del MIT sono state condotte ulteriori ricerche. Il lavoro sulle linee di luce 11-BM e 7-ID presso l’Advanced Photon Source (APS) e l’impianto di microscopia elettronica ultraveloce presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) ha aggiunto questi risultati. Ad Argonne, CNM e APS sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science.

Un antiferromagnete multistrato subisce anche gli effetti dello spin dell'elettrone per durate superiori ai picosecondi. I membri del team hanno scoperto che i movimenti fluttuanti degli strati rallentavano significativamente intorno al punto in cui gli spin degli elettroni passavano dal comportamento disordinato a quello ordinato in un lavoro precedente che utilizzava apparecchiature APS e CNM.