Nuovo effetto quantistico spinaron

Fornite le basi per esplorare le caratteristiche e le conseguenze di alcuni stati ibridi a molti corpi e la loro progettazione in nanostrutture artificiali

Gli atomi di cobalto sulle superfici dei metalli nobili sono considerati sistemi prototipici per l'effetto Kondo negli esperimenti di microscopia a effetto tunnel. Recenti calcoli, tuttavia, suggeriscono che l’anomalia spettroscopica di polarizzazione zero osservata sperimentalmente può essere interpretata in termini di eccitazioni dello spin dell’atomo di Co (Co atom) e della formazione di un nuovo stato a molti corpi, vale a dire lo spinarone, piuttosto che da una risonanza Kondo. Lo spinarone è un polarone magnetico che risulta dall'interazione delle eccitazioni di spin con gli elettroni di conduzione. Tuttavia, la conferma sperimentale dell’esistenza degli spinaroni rimane sfuggente.

Nel laboratorio di Würzburg i fisici sperimentali professor Matthias Bode (1) e il dottor Artem Odobesko (2) regnano condizioni estreme. Affiliati al Cluster of Excellence ct.qmat, una collaborazione tra JMU Würzburg e TU Dresden, questi studiosi stanno fissando nuove pietre miliari nella ricerca quantistica. Il loro ultimo sforzo è svelare l'effetto spinaron.

Hanno posizionato strategicamente singoli atomi di cobalto su una superficie di rame, hanno abbassato la temperatura a 1,4 Kelvin (-271,75° Celsius) e poi li hanno sottoposti a un potente campo magnetico esterno. «Il magnete che utilizziamo costa mezzo milione di euro. Non è qualcosa che sia ampiamente disponibile», spiega il professor Matthias Bode. La loro successiva analisi ha prodotto rivelazioni inaspettate.

Atomo minuscolo, effetto massiccio

«Possiamo vedere i singoli atomi di cobalto utilizzando un microscopio a effetto tunnel. Ogni atomo ha uno spin, che può essere pensato come un polo nord o sud magnetico. Misurarlo è stato fondamentale per le nostre sorprendenti scoperte», spiega Bode. «Abbiamo depositato tramite vapore un atomo di cobalto magnetico su una base di rame non magnetica, facendo interagire l'atomo con gli elettroni del rame». La ricerca di tali effetti di correlazione all’interno dei materiali quantistici è al centro della ct.qmat’s mission, una ricerca che promette innovazioni tecnologiche trasformative lungo il percorso.

Come un rugby in una vasca di palline

Dagli anni ’60, i fisici dello stato solido hanno ipotizzato che l’interazione tra cobalto e rame possa essere spiegata dall’effetto Kondo, con i diversi orientamenti magnetici dell’atomo di cobalto e degli elettroni di rame che si annullano a vicenda. Ciò porta a uno stato in cui gli elettroni di rame sono legati all’atomo di cobalto, formando quella che viene definita una “Kondo cloud”. Tuttavia, Bode e il suo team hanno approfondito il loro laboratorio e hanno convalidato una teoria alternativa proposta nel 2020 dal teorico Samir Lounis dell’istituto di ricerca Forschungszentrum Jülich.

Sfruttando la potenza di un intenso campo magnetico esterno e utilizzando una punta di ferro nel microscopio a effetto tunnel, i fisici di Würzburg sono riusciti a determinare l'orientamento magnetico dello spin del cobalto. Questa rotazione non è rigida, ma cambia permanentemente avanti e indietro, cioè da “spin-up” (positivo) a “spin-down” (negativo) e viceversa. Questa commutazione eccita gli elettroni di rame, un fenomeno chiamato effetto spinaron.

Il dottor Bode lo spiega con una vivida analogia: «A causa del costante cambiamento nell’allineamento degli spin, lo stato dell’atomo di cobalto può essere paragonato a una palla da rugby. Quando una palla da rugby gira continuamente in una vasca, le palle circostanti vengono spostate in modo ondulatorio. Questo è esattamente ciò che abbiamo osservato: gli elettroni di rame hanno iniziato a oscillare in risposta e si sono legati con l’atomo di cobalto. Questa combinazione della mutevole magnetizzazione dell’atomo di cobalto e degli elettroni di rame ad esso legati è lo spinaron previsto dal nostro collega Forschungszentrum Jülich».

La prima validazione sperimentale dell'effetto spinarone, per gentile concessione del team di Würzburg, mette in dubbio l'effetto Kondo. Finora era considerato il modello universale per spiegare l’interazione tra atomi magnetici ed elettroni nei materiali quantistici come il duo cobalto-rame. il dottor Bode scherza: «È ora di scrivere un asterisco significativo in quei libri di testo di fisica!»

Spinaron e la spintronica

Nell'effetto spinaron, l'atomo di cobalto rimane in movimento perpetuo, mantenendo la sua essenza magnetica nonostante la sua interazione con gli elettroni. Nell'effetto Kondo, invece, il momento magnetico viene neutralizzato dalle interazioni degli elettroni. «La nostra scoperta è importante per comprendere la fisica dei momenti magnetici sulle superfici metalliche», dichiara Bode. Guardando al futuro, tali fenomeni potrebbero aprire la strada alla codifica e al trasporto magnetico delle informazioni in nuovi tipi di dispositivi elettronici. Soprannominato “spintronica”, questo potrebbe rendere l’IT più ecologico ed efficiente dal punto di vista energetico.

Tuttavia, Matthias Bode modera le aspettative quando parla della praticità di questa combinazione cobalto-rame. «Abbiamo essenzialmente manipolato singoli atomi a temperature ultra-basse su una superficie incontaminata in un vuoto ultra-alto. Ciò non è fattibile per i telefoni cellulari. Anche se l’effetto di correlazione rappresenta uno spartiacque nella ricerca fondamentale per comprendere il comportamento della materia, non riesco a costruire un effettivo passaggio da esso».

Attualmente, il fisico quantistico di Würzburg, il dottor Artem Odobesko e il teorico di Jülich, il dottor Samir Lounis (3) si stanno concentrando su una revisione su larga scala delle numerose pubblicazioni che hanno descritto l'effetto Kondo in varie combinazioni di materiali a partire dagli anni '60. «Sospettiamo che molti potrebbero effettivamente descrivere l'effetto spinarone», dice Artem Odobesko, aggiungendo: «Se è così, riscriveremo la storia della fisica quantistica teorica». Questo lavoro scientifico è stato pubblicato su Nature Physics (4).

Il Cluster of Excellence ct.qmat - Complexity and Topology in Quantum Matter è gestito congiuntamente dalla Julius-Maximilians-Universität Würzburg e dalla Technische Universität Dresden dal 2019. Quasi 400 scienziati provenienti da più di trenta paesi e quattro continenti studiano materiali quantistici topologici che rivelano sorprendenti fenomeni in condizioni estreme come temperature ultra-basse, alta pressione o forti campi magnetici. ct.qmat è finanziato attraverso la strategia di eccellenza tedesca dei governi federale e statale ed è l'unico cluster di eccellenza in Germania ad avere sede in due diversi stati federali.

Riferimenti:

(1) Matthias Bode

(2) Artem Odobesko

(3) Samir Lounis

(4) Evidence for spinarons in Co adatoms

Descrizione foto: L'atomo di cobalto (rosso) ha un momento magnetico (“spin”, freccia blu), che viene costantemente riorientato (da spin-up a spin-down) da un campo magnetico esterno. Di conseguenza, l'atomo magnetico eccita gli elettroni della superficie del rame (grigia), facendoli oscillare (creando increspature). Questa rivelazione del Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat è stata resa possibile grazie all'inclusione da parte dei fisici di una punta di ferro (gialla) nel loro microscopio a effetto tunnel. - Credit: Juba Bouaziz / Ulrich Puhlfürst.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New quantum effect demonstrated for the first time: Spinaron, a rugby in a ball pit