“Il motivo per cui abbiamo il magnetismo nella nostra vita quotidiana è a causa del potere delle interazioni di scambio di elettroni”, ha detto il coautore dello studio. Imamoglu è venuto da teche è anche fisico presso l'Istituto di elettronica quantistica.
Tuttavia, come ipotizzò Nagaoka negli anni ’60, le reazioni di scambio potrebbero non essere l’unico modo per creare un materiale magnetico. Nagaoka immaginò un reticolo quadrato bidimensionale, in cui ciascuna posizione sul reticolo conteneva un solo elettrone. Quindi scopri cosa accadrebbe se rimuovessi uno di quegli elettroni in determinate condizioni. Quando gli elettroni rimanenti nel reticolo interagiscono, la lacuna in cui si trovava l'elettrone mancante scivolerà attorno al reticolo.
Nello scenario di Nagaoka, l’energia totale del reticolo sarà minima quando tutti gli spin degli elettroni saranno paralleli. Ogni configurazione elettronica sembrerebbe identica, come se gli elettroni fossero pezzi identici sul pianeta più noioso del mondo Puzzle con piastrelle scorrevoli. Questi giri paralleli, a loro volta, renderanno il materiale ferromagnetico.
Quando ci sono due reti con una svolta c'è uno schema
Imamoglu e i suoi colleghi hanno avuto l'idea di poter creare il magnetismo di Nagaoka sperimentando con fogli di atomi a strato singolo che potevano essere impilati insieme per formare un complesso motivo moiré (pronunciato Mwah Ray). Nei materiali a strati atomicamente sottili, i motivi moiré possono cambiare radicalmente il comportamento degli elettroni, e quindi dei materiali. Ad esempio, nel 2018, il fisico Pablo Jarillo Herrero e colleghi Comprovato Pile di grafene a due strati hanno acquisito superconduttività quando hanno sostituito i due strati con una torsione.
Da allora i materiali moiré sono emersi come un nuovo sistema avvincente per studiare il magnetismo, intrappolati accanto a nuvole di atomi superraffreddati e materiali complessi come i cuprati. “I materiali ondulatori ci forniscono un parco giochi per raccogliere e studiare molteplici stati di elettroni nel corpo”, ha detto Imamoglu.
I ricercatori hanno iniziato fabbricando un materiale da monostrati di diseleniuro di molibdeno semiconduttore e disolfuro di tungsteno, che appartengono a una classe di materiali che… Simulazioni passate È implicito che possa esibire un magnetismo in stile Nagaoka. Hanno quindi applicato deboli campi magnetici di varia intensità al materiale moiré monitorando il numero di spin degli elettroni del materiale che corrispondeva ai campi.
I ricercatori hanno poi ripetuto queste misurazioni applicando tensioni diverse al materiale, modificando il numero di elettroni nel reticolo moiré. Hanno trovato qualcosa di strano. Il materiale aveva maggiori probabilità di allinearsi con un campo magnetico esterno, cioè di comportarsi in modo più magnetico, solo quando aveva fino al 50% in più di elettroni rispetto ai siti reticolari. Quando il reticolo aveva meno elettroni rispetto ai siti reticolari, i ricercatori non hanno visto segni di ferromagnetismo. Questo era l'opposto di quello che si sarebbero aspettati di vedere se il ferromagnetismo standard di Nagaoka fosse stato efficace.
Non importa quanto magnetico sia il materiale, non sembra essere guidato da reazioni di scambio. Ma anche le versioni più semplici della teoria di Nagaoka non spiegavano completamente le sue proprietà magnetiche.
Quando le tue cose vengono magnetizzate e rimani un po' sorpreso
Alla fine si è trattato di movimento. Gli elettroni riducono la loro energia cinetica diffondendosi nello spazio, il che può far sì che la funzione d’onda che descrive lo stato quantistico di un elettrone si sovrapponga a quella dei suoi vicini, legando insieme i loro destini. Nel materiale del team, una volta che nel reticolo ondulato c'erano più elettroni che siti nel reticolo, l'energia del materiale diminuiva quando gli elettroni in più venivano delocalizzati come la nebbia pompata su un palco di Broadway. Quindi si accoppiano transitoriamente con gli elettroni nel reticolo per formare gruppi di due elettroni chiamati dobloni.
Questi elettroni vaganti in più, e i dobloni che continuavano a formare, non potevano delocalizzarsi e diffondersi all'interno del reticolo a meno che gli elettroni nei siti del reticolo che li circondavano non ruotassero in parallelo. Mentre la materia continuava a raggiungere i livelli energetici più bassi, il risultato finale fu che i dobloni tendevano a creare regioni ferromagnetiche piccole e localizzate. Fino a un certo punto, quanti più dobloni circolano nella rete, tanto più magnetico diventa il materiale.