Diamanti e ruggine riscrivono i libri di fisica

I ricercatori di Cambridge hanno identificato i monopoli magnetici nell’ematite, suggerendo nuove possibilità per tecniche informatiche avanzate ed ecocompatibili. Questa prima osservazione dei poli emergenti nei magneti naturali potrebbe aprire nuovi orizzonti nella ricerca sui materiali quantistici.

I ricercatori hanno scoperto monopoli magnetici – cariche magnetiche isolate – in un materiale strettamente correlato alla ruggine, una scoperta che potrebbe essere utilizzata per alimentare tecnologie informatiche più ecologiche e più veloci.

I ricercatori guidati dall’Università di Cambridge hanno utilizzato una tecnica nota come rilevamento quantistico del diamante per osservare strutture vorticose e deboli segnali magnetici sulla superficie dell’ematite, un tipo di ossido di ferro.

Monopoli emergenti e strutture vorticose

I ricercatori hanno osservato che i monopoli magnetici nell’ematite compaiono attraverso il comportamento collettivo di molti spin (il momento angolare della particella). Questi monopoli scivolano attraverso le texture vorticose della superficie dell’ematite, come piccoli dischi da hockey dotati di carica magnetica. Questa è la prima volta che i monopoli naturali sono stati osservati sperimentalmente.

La ricerca ha anche mostrato una connessione diretta tra le strutture dei vortici precedentemente nascoste e le cariche magnetiche di materiali come l’ematite, come se ci fosse un codice segreto che li collega insieme. I risultati, che potrebbero essere utili per consentire applicazioni logiche e di memoria di prossima generazione, sono stati pubblicati oggi (5 dicembre) sulla rivista Materiali della natura.

Una prospettiva storica sui monopoli magnetici

Secondo le equazioni di James Clerk Maxwell, uno dei giganti della fisica di Cambridge, gli oggetti magnetici, siano essi i magneti da frigorifero o la Terra stessa, dovrebbero sempre esistere come una coppia di poli magnetici che non possono essere isolati.

“I magneti che utilizziamo ogni giorno hanno due poli: nord e sud”, ha affermato il professor Mete Atatori, che ha guidato la ricerca. “Il 19^sì Nel ventesimo secolo si ipotizzò che potessero esistere gli unipoli. Ma in una delle sue equazioni fondamentali per lo studio dell’elettromagnetismo, James Clerk Maxwell non era d’accordo con questo punto di vista.

Attatori è a capo del Cavendish Laboratory di Cambridge, incarico precedentemente ricoperto dallo stesso Maxwell. “Se i monopoli esistessero e potessimo isolarli, sarebbe come trovare il pezzo mancante di un puzzle che presumibilmente mancava”, ha detto.

Strategia di emergenza e ricerca collaborativa

Circa 15 anni fa, gli scienziati hanno proposto il modo in cui esistono i monopoli nei materiali magnetici. Questo risultato teorico si basava sull’estrema separazione tra i Poli Nord e Sud, in modo tale che ogni polo appare localmente isolato in una sostanza esotica chiamata spin ice.

Tuttavia, esiste una strategia alternativa per trovare i monopoli, che implica il concetto di emergenza. L’idea dell’emergenza è che la combinazione di più entità fisiche può portare a proprietà maggiori o diverse dalla somma delle loro parti.

Lavora con colleghi di Università di Oxford E i ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore, Cambridge, hanno utilizzato l’emanazione per rilevare i monopoli che si diffondono nello spazio 2D, scivolando attraverso i tessuti vorticosi sulla superficie di un materiale magnetico.

Le strutture topologiche dei vortici si trovano in due tipi principali di materiali: ferromagneti e antimagneti. Dei due, gli antimagneti sono più stabili dei ferromagneti, ma sono più difficili da studiare, perché non hanno una forte firma magnetica.

Antimagneti e magnetometria quantistica del diamante

Per studiare il comportamento degli antimagneti, Attatori e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica di imaging nota come magnetometria quantistica del diamante. Questa tecnica utilizza un singolo giro – il momento angolare intrinseco di un elettrone – in un ago di diamante per misurare con precisione il campo magnetico sulla superficie di un materiale, senza influenzarne il comportamento.

Nel presente studio, i ricercatori hanno utilizzato questa tecnica per osservare l’ematite, un materiale antimagnetico a base di ossido di ferro. Con loro sorpresa, hanno trovato modelli nascosti di cariche magnetiche all’interno dell’ematite, inclusi monopoli, dipoli e quadrupoli.

Il coautore, il professor Paolo Radelli dell’Università di Oxford, ha dichiarato: “L’esistenza dei monopoli è stata prevista teoricamente, ma questa è la prima volta che vediamo effettivamente un monopolio 2D in un magnete naturale”.

“Questi monopoli sono uno stato collettivo di molti spin che orbitano attorno a una singolarità piuttosto che a una singola particella stabile, quindi emergono attraverso interazioni a molti corpi. Il risultato è una piccola particella stabile localizzata che emerge da essa”, ha detto il co-primo autore Dr. Harium Jani, dell’Università di Oxford, campo magnetico variabile.

Il co-primo autore, il dottor Anthony Tan, dell’Università di Harvard, ha dichiarato: “Abbiamo dimostrato come la magnetometria quantistica del diamante può essere utilizzata per svelare il misterioso comportamento del magnetismo nei materiali quantistici 2D, il che potrebbe aprire nuove aree di studio in questo campo”. Laboratorio Cavendish. “La sfida è sempre stata quella di immaginare direttamente questi tessuti negli antimagneti a causa della loro debole attrazione magnetica, ma ora siamo in grado di farlo, con una squisita combinazione di diamante e ruggine”.

Lo studio non solo evidenzia il potenziale della magnetometria quantistica del diamante, ma sottolinea anche il suo potenziale nel rilevare e indagare i fenomeni magnetici nascosti nei materiali quantistici. Se controllati, questi tessuti vorticosi ricoperti di cariche magnetiche potrebbero eseguire la logica della memoria del computer in modo estremamente rapido ed efficiente dal punto di vista energetico.

Riferimento: “Rilevazione della carica magnetica emergente negli antimagneti utilizzando la magnetometria quantistica del diamante” di Anthony KC Tan, Harium Jani, Michael Hogan, Lucio Stefan, Claudio Castelnuovo, Daniel Brund, Alexandra Jim, Annika Michnic, Matthew SJ Fiore, Helena s. Knowles, Ariando Ariando, and Paolo G. Radelli e Miti Atatori, 5 dicembre 2023, Materiali della natura.
doi: 10.1038/s41563-023-01737-4

La ricerca è stata sostenuta in parte dalla Royal Society, dal Sir Henry Royce Institute, dall’Unione Europea e dall’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), parte del UK Research and Innovation (UKRI).