Alcuni ricercatori dell'Università di Basilea e dell'ETH di Zurigo sono riusciti a cambiare la polarità di uno speciale ferromagnete utilizzando un raggio laser. In futuro, questo metodo potrebbe essere utilizzato per creare circuiti elettronici adattabili con la luce.
In un ferromagnete agiscono forze combinate. Affinché l’ago di una bussola punti verso nord o un magnete da frigorifero si attacchi alla porta del frigorifero, al suo interno ruotano innumerevoli elettroni, ognuno dei quali crea solo un minuscolo campo magnetico, che devono essere tutti allineati nella stessa direzione. Ciò avviene attraverso le interazioni tra gli spin, che devono essere più forti del moto termico disordinato all'interno del ferromagnete. Se la temperatura del materiale è inferiore a un valore critico, diventa ferromagnetico.
Al contrario, per cambiare la polarità di un ferromagnete, di solito è necessario prima riscaldarlo al di sopra della sua temperatura critica. Gli spin degli elettroni possono quindi riorientarsi e, dopo essersi raffreddato, il campo magnetico del ferromagnete punta eventualmente in una direzione diversa.
Un team di ricercatori guidato dal Prof. Dr. Tomasz Smoleński dell'Università di Basilea e dal Prof. Dr. Ataç Imamoğlu dell'ETH di Zurigo è riuscito ora a realizzare un tale ri-orientamento utilizzando solo la luce-senza riscaldamento. Hanno pubblicato i loro risultati inNatura.
Interazioni e topologia
"La cosa interessante del nostro lavoro è che combiniamo i tre grandi argomenti della moderna fisica della materia condensata in un unico esperimento: forti interazioni tra gli elettroni, topologia e controllo dinamico", afferma Imamoğlu.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato un materiale speciale costituito da due strati sottilissimi-di ditelluride di molibdeno, un semiconduttore organico, leggermente attorcigliati l'uno rispetto all'altro.
In tali materiali si possono formare i cosiddetti-stati topologici. In parole povere, gli stati topologici possono essere caratterizzati in base al loro aspetto: una palla (senza buco) o una ciambella (un buco). È importante sottolineare che una palla non può essere trasformata in una ciambella con una semplice deformazione, il che significa che gli stati topologici sono definiti in modo inequivocabile e permanente.
Nei nuovi esperimenti co-supervisionati da Smoleński e Imamoğlu, gli elettroni potrebbero essere sintonizzati tra stati topologici isolanti e stati metallici conduttori. Sorprendentemente, le interazioni fanno sì che gli spin degli elettroni in entrambi gli stati si allineino parallelamente tra loro, trasformando il materiale in un ferromagnete.
"Il nostro risultato principale è che possiamo utilizzare un impulso laser per modificare l'orientamento collettivo degli spin", afferma Olivier Huber, Ph.D. studente dell'ETH, che ha condotto gli esperimenti insieme al collega Kilian Kuhlbrodt e Tomasz Smoleński. Alcuni anni fa questo era già stato fatto per i singoli elettroni, ma ora è stata raggiunta la "commutazione" o cambio di polarità dell'intero ferromagnete.
"Questa commutazione era permanente e, inoltre, la topologia influenza la dinamica di commutazione", spiega Smoleński.
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Controllo dinamico del ferromagnete
In questo modo l'impulso laser può essere utilizzato anche per tracciare nuove linee di confine, all'interno delle quali si trova lo stato ferromagnetico topologico. Questo può essere fatto ripetutamente, in modo che sia possibile un controllo dinamico delle proprietà topologiche e ferromagnetiche.
Per dimostrare che il minuscolo ferromagnete, che misura solo pochi micrometri, aveva effettivamente cambiato la sua polarità, i ricercatori hanno misurato la riflessione di un secondo raggio laser, molto più debole. Questa riflessione ha rivelato l'orientamento degli spin degli elettroni.
"In futuro saremo in grado di utilizzare il nostro metodo per scrivere otticamente circuiti topologici arbitrari e adattabili su un chip", afferma Smoleński. Questo approccio potrebbe poi essere utilizzato per creare minuscoli interferometri, con i quali è possibile misurare campi elettromagnetici estremamente piccoli.
