‎Un motore a quattro tempi per atomi‎

Scoperto un effetto particolare in un materiale a base di gadolinio: gli atomi si comportano come i pistoni di un motore 4 tempi andando su e giù due volte grazie a un interruttore attivato da campo magnetico.

 

 

‎Alla Vienna University of Technology è stato scoperto un effetto sorprendente in un cristallo a base di ossidi di ‎‎gadolinio‎‎ e manganese: una sorta di “interruttore atomico” che deve essere commutato avanti e indietro due volte per far tornare l’atomo nel suo stato iniziale.

Durante questo doppio processo di accensione e spegnimento, lo spin degli atomi di gadolinio esegue una rotazione completa. Questo ricorda un albero motore, in cui un movimento su e giù viene convertito in un movimento circolare.‎

‎Questo nuovo fenomeno apre interessanti possibilità nella fisica dei materiali. Anche le informazioni potrebbero essere memorizzate con tali sistemi. Lo strano interruttore atomico è stato presentato sulla rivista scientifica ‎‎Nature‎‎.‎

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‎Lo spin degli atomi è il momento angolare intrinseco della particella, cioè la sua rotazione su se stessa, che può puntare in una direzione specifica, proprio come l’asse terrestre dei punti di rotazione in una direzione molto specifica.‎

Viene usualmente misurato in valori interi o seminteri, positivi o negativi: se una particella ha spin -1 significa che sta ruotando in un determinato senso, per esempio antiorario, e se si inverte tale rotazione il numero corrispondente muta cambiando segno, in questo caso diventando +1.

‎Il Prof. Andrei Pimenov e il suo team presso l’Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien stanno ricercando  materiali in cui i fenomeni elettrici e magnetici sono strettamente accoppiati.  “Abbiamo esposto un materiale speciale fatto di gadolinio, manganese e ossigeno a un ‎‎campo magnetico‎‎ per analizzare come le ‎‎proprietà elettriche‎‎ del materiale possono essere modificate dal magnetismo. E sorprendentemente, ci siamo imbattuti in un comportamento completamente imprevisto”.‎

‎All’inizio, il materiale è polarizzato elettricamente: da un lato è caricato positivamente, dall’altro lato caricato negativamente. Quindi si accende un forte campo magnetico. Se si spegne il campo magnetico improvvisamente la polarizzazione si inverte: il lato che prima era caricato positivamente è caricato negativamente e viceversa.‎

‎Se si riaccende il campo magnetico, la polarizzazione elettrica rimane approssimativamente costante. Se si disattiva il campo magnetico, la polarizzazione si inverte di nuovo e quindi ritorna al suo stato originale.‎

‎”Questo è estremamente notevole”, afferma Andrei Pimenov. “Eseguiamo quattro diversi passaggi, ogni volta che il materiale cambia le sue proprietà interne, ma solo due volte cambia la polarizzazione, quindi si raggiunge lo stato iniziale solo dopo il quarto passaggio”.‎

‎Uno sguardo più attento mostra che gli atomi di gadolinio sono responsabili di questo comportamento: cambiano la loro direzione di rotazione in ciascuno dei quattro passaggi, ogni volta di 90 gradi. “In un certo senso, è un motore a quattro tempi per atomi”, dice Andrei Pimenov.

“Anche in un motore a quattro tempi, ci vogliono quattro passaggi per tornare allo stato iniziale, e il cilindro si muove su e giù due volte nel processo. Nel nostro caso, il campo magnetico si muove su e giù due volte prima ‎‎che lo stato iniziale‎‎ venga ripristinato e lo spin degli atomi di gadolinio punti di nuovo nella direzione originale.‎

‎Teoricamente, tali materiali potrebbero essere utilizzati per memorizzare informazioni: un sistema con quattro stati possibili avrebbe una ‎‎capacità di archiviazione‎‎ di due bit per ‎‎switch‎‎, invece del solito bit di informazioni per “0” o “1”.

Ma l’effetto è particolarmente interessante anche per la tecnologia dei sensori: ad esempio, si potrebbe produrre un contatore per impulsi magnetici in questo modo. L’effetto fornisce nuovi importanti input per ‎‎la ricerca teorica‎‎: è un altro esempio di un cosiddetto “effetto topologico”, una classe di effetti materiali che da anni attirano molta attenzione nella fisica dello stato solido e dovrebbero consentire lo sviluppo di nuovi materiali. ‎

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Immagine: Vienna University of Technology