I monopoli magnetici compaiono nell’ematite – Physics World

I fisici delle università di Oxford e Cambridge nel Regno Unito hanno individuato tracce di monopoli magnetici e altre insolite strutture magnetiche nell’ematite, un materiale antiferromagnetico a base di ossido di ferro presente in natura. Le strutture, che i ricercatori hanno scoperto utilizzando misurazioni di rilevamento quantistico, potrebbero costituire la base per nuovi dispositivi come le memorie delle piste e il calcolo neuromorfico superveloce ed efficiente dal punto di vista energetico.

Una normale barra magnetica è costituita da un polo nord e da un polo sud. Tagliatelo in due e ciascuna delle metà risultanti, non importa quanto piccola, avrà anche due poli. In effetti, la natura bipolare del magnetismo è così fondamentale che emerge nelle equazioni di Maxwell, le quali implicano che sebbene esistano cariche elettriche positive e negative isolate, le cariche magnetiche isolate non possono.

Durante la rivoluzione quantistica degli anni ’1920 e ’1930, alcuni fisici iniziarono a ipotizzare che questo principio dell’elettromagnetismo classico potesse aver bisogno di una revisione. Nel 1931 Paul Dirac fu il primo a predire che potevano esistere i monopoli magnetici – particelle elementari che agiscono come poli magnetici nord e sud isolati e sono gli analoghi magnetici delle cariche elettriche. Sebbene i monopoli magnetici del tipo previsto da Dirac non siano mai stati visti come particelle libere, da allora si è scoperto che materiali esotici noti come spin ice ospitano stati collettivi che li imitano.

Modelli vorticosi di cariche magnetiche

Un team di ricercatori guidato da Mete Atatüre, la testa di Laboratorio Cavendish di Cambridge, ha ora osservato un simile tipo “emergente” di monopolio magnetico nell’ematite. Questi monopoli sono stati collettivi di molti spin vorticosi (momenti angolari intrinseci degli elettroni) che, insieme, agiscono come una particella stabile localizzata da cui emana un campo magnetico. "Questi 'vortici antiferromagnetici' (che sono chiamati meroni, antimerioni e bimerioni) nell'ematite sono associati a 'monopoli magnetici emergenti'", spiega il co-leader del team Paolo Radaelli, un fisico di Oxford. “Questi vortici rivelano la loro posizione e siamo in grado di studiare il loro comportamento con la magnetometria quantistica del diamante e altre tecniche di scansione”.

Nella magnetometria quantistica del diamante, una singola rotazione di un minuscolo ago di diamante viene utilizzata per misurare in modo preciso e non invasivo il campo magnetico sulla superficie di un materiale. “La magnetometria quantistica può rilevare campi magnetici molto piccoli”, spiega Atatüre. “Quindi, è ideale per mappare l’ordine magnetico negli antiferromagneti, una classe speciale di materiali magnetici in cui la magnetizzazione locale quasi si annulla”.

Un nuovo approccio ripaga

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Nature Materials, hanno individuato diverse strutture magnetiche insolite nell'ematite utilizzando questa tecnica, inclusi monopoli, dipoli e quadrupoli bidimensionali. Questa è la prima volta che un monopolo bidimensionale è stato osservato in un magnete naturale, dicono. Radaelli aggiunge che il team non si aspettava di vedere molto perché le strutture di spin antiferromagnetiche erano considerate sfuggenti e solo osservabili utilizzando complesse tecniche di raggi X.

"Abbiamo inviato i nostri campioni a Mete e ai colleghi di Cambridge senza sapere esattamente cosa aspettarci", afferma. “Ricordo di averne discusso e di aver pensato che non avremmo visto nulla. Quando hanno iniziato ad arrivare le immagini da Cambridge, abbiamo discusso diverse interpretazioni finché le simulazioni quantitative non hanno rivelato l’origine microscopica del segnale”.

Fu solo a questo punto che il team capì la natura monopolare della struttura magnetica osservata e fece il collegamento con esempi di monopoli nella letteratura scientifica, dice Mondo della fisica.

Lettura e classificazione

Per quanto riguarda le candidature, membro del team Hariom Jani, ricercatore post-dottorato a Oxford e primo autore dello studio, suggerisce che i monopoli appena osservati potrebbero servire da indicatori per altri effetti insoliti. "L'interconnessione tra le cariche magnetiche, che sono le sorgenti/dissipatori di minuscoli campi, e il senso di avvolgimento dei vortici antiferromagnetici è molto utile perché apre un facile percorso per leggere e classificare gli stati antiferromagnetici esotici", afferma.

Monopoli magnetici trovati in agguato nei cristalli chirali topologici

Il suo collega di Cambridge, dottorando Anthony Tan, è d'accordo. “Il nostro lavoro evidenzia il potenziale della magnetometria quantistica del diamante per scoprire e indagare i fenomeni magnetici nascosti nei materiali quantistici, che potrebbero aiutare a aprire la strada a nuovi campi di studio in quest’area”, afferma.

L'obiettivo finale del team, afferma Radaelli, è costruire dispositivi reali per l'informatica di prossima generazione che utilizzino questi vortici antiferromagnetici. “Stiamo lavorando in parallelo su due concetti separati: uno basato sull’emulazione dei neuroni biologici; e l'altro sui cosiddetti ippodromi, cioè “autostrade” nanoscopiche per i vortici”, spiega. La costruzione di tali dispositivi richiederà la fabbricazione di contatti elettrici, conduttori e trasduttori su scala nanometrica, aggiunge: “Prevediamo che le tecniche di scansione multi-sonda, come la magnetometria quantistica del diamante, ci consentiranno di accelerare questo lavoro”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/