Con la crescente domanda di potenza di calcolo, gli scienziati stanno esplorando il mondo quantistico alla ricerca di metodi più intelligenti per elaborare enormi quantità di dati. Una direzione promettente è rappresentata dall’orbitaronica, un campo che si concentra sull’utilizzo del movimento degli elettroni attorno al nucleo di un atomo, noto come momento angolare orbitale, per trasportare e memorizzare informazioni in modo più efficiente. Tradizionalmente, il controllo di questo movimento ha richiesto materiali magnetici come il ferro, che sono pesanti, costosi e difficili da produrre su scala industriale per dispositivi pratici.
Un nuovo studio ha ora introdotto un approccio molto più semplice per generare questo moto orbitale negli elettroni. La chiave risiede in un’area emergente della fisica incentrata sui fononi chirali.
I fononi chirali offrono una svolta
Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato che i fononi chirali possono trasferire direttamente il momento angolare orbitale agli elettroni in un materiale non magnetico. Questa scoperta elimina una limitazione importante che ha a lungo frenato lo sviluppo dell’orbitronica.
“La generazione di correnti orbitali tradizionalmente richiede l’iniezione di corrente di carica in specifici metalli di transizione, e molti di questi elementi sono ora classificati come materiali critici”, ha affermato Dali Sun, fisico della North Carolina State University e coautore dello studio. “Esistono altri modi per generare momento angolare orbitale, ma questo metodo consente l’utilizzo di materiali più economici e abbondanti.”
“Non abbiamo bisogno di un magnete. Non abbiamo bisogno di una batteria. Non abbiamo bisogno di usare la tensione elettrica. Ci serve solo un materiale con fononi chirali”, ha aggiunto Valy Vardeny, illustre professore del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università dello Utah e coautore dello studio. “Prima era inimmaginabile. Ora, per così dire, abbiamo inventato un nuovo campo di ricerca.”
La ricerca è stata condotta dalla North Carolina State University, con il contributo di diverse istituzioni tra cui l’Università dello Utah, ed è stata pubblicata sulla rivista Nature Physics .
Comprendere la chiralità e il moto atomico
Il progresso si basa su come gli atomi sono disposti e come si muovono all’interno dei materiali. Nei solidi, gli atomi formano strutture reticolari molto compatte. In molti materiali, come i metalli, queste strutture sono simmetriche, ovvero la loro immagine speculare appare identica.
I materiali chirali sono diversi. In sostanze come il quarzo, gli atomi sono disposti secondo uno schema a spirale, simile alla filettatura di una vite. Queste strutture presentano una torsione intrinseca, destrogira o levogira, che non può essere sovrapposta alla sua immagine speculare. Le mani umane sono un semplice esempio di chiralità.
Gli atomi nei solidi non sono statici. Vibrano sul posto. Nei materiali simmetrici, questo movimento tende ad essere laterale. Nei materiali chirali, la struttura attorcigliata fa sì che gli atomi si muovano secondo uno schema circolare o a spirale.
Come i fononi chirali trasferiscono l’energia
Queste vibrazioni possono propagarsi attraverso un materiale sotto forma di onde collettive note come fononi. Nei materiali chirali, queste onde seguono anche un moto circolare, formando fononi chirali. Un modo utile per visualizzare questo fenomeno è immaginare una folla a un concerto, dove una persona inizia a ondeggiare e il movimento si propaga a tutto il gruppo.
Poiché gli atomi si muovono su una traiettoria circolare, possiedono momento angolare. I ricercatori hanno dimostrato che questo movimento può essere trasferito direttamente agli elettroni, conferendo loro momento angolare orbitale senza ricorrere ai metodi magnetici tradizionali.
Il quarzo rivela effetti magnetici nascosti
Gli elettroni hanno una carica negativa, quindi in genere sono necessari campi magnetici per influenzarne il movimento. Il quarzo, tuttavia, offre un vantaggio sorprendente: è leggero, economico e i suoi fononi chirali generano effetti magnetici interni.
Per la prima volta, gli scienziati dell’Università dello Utah hanno misurato direttamente questo magnetismo nel quarzo utilizzando apparecchiature specializzate presso il National High Magnetic Field Lab in Florida. Facendo passare dei laser attraverso il materiale e studiando come la luce riflessa cambiava colore, lunghezza d’onda, ecc., hanno confermato che i fononi chirali nel quarzo producono un campo magnetico significativo.
“Anche se il materiale in sé non è magnetico, l’esistenza dei fononi chirali ci fornisce queste leve magnetiche da azionare”, ha affermato Rikard Bodin, dottorando presso l’Università dello Utah e coautore dell’articolo. “Quando parliamo di scoperte, come l’effetto Seebeck orbitale, non posso dirvi che il vostro televisore funzionerà grazie a questo, ma stiamo creando ulteriori leve che possiamo azionare per fare cose nuove. Ora che esiste, qualcun altro può spingerlo oltre e, prima che ce ne accorgiamo, sarà onnipresente. È così che funziona la tecnologia.”
Allineare i fononi per guidare il flusso di elettroni
In condizioni normali, i fononi chirali esistono in una combinazione di stati destrogiri e levogiri con livelli di energia variabili. Per testare la loro ipotesi, i ricercatori hanno utilizzato il quarzo α, un cristallo con una struttura naturalmente chirale. Applicando un campo magnetico, sono stati in grado di allineare questi fononi.
Una volta allineati un numero sufficiente di fononi, il loro moto collettivo si è trasferito agli elettroni, anche dopo la rimozione del campo magnetico esterno. Questo ha prodotto un flusso di momento angolare orbitale, che il team ha chiamato effetto Seebeck orbitale, traendo ispirazione dall’effetto Seebeck di spin che influenza lo spin degli elettroni.
Per rilevare questo effetto, gli scienziati hanno sovrapposto strati di metalli (tungsteno e titanio) al quarzo α. Questa configurazione ha convertito il moto orbitale, altrimenti invisibile, in un segnale elettrico misurabile.
Verso un’elettronica più efficiente
Questo approccio non si limita al quarzo. Può essere applicato anche ad altri materiali chirali come il tellurio, il selenio e le perovskiti ibride organiche/inorganiche. Rispetto ai metodi esistenti, richiede una minore quantità di materiale e permette al moto orbitale di persistere molto più a lungo.
Questa combinazione di semplicità, efficienza e scalabilità potrebbe rendere l’orbitronica un’opzione più pratica per le tecnologie future, portando potenzialmente a dispositivi più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.
Lo studio ha coinvolto un’ampia collaborazione di ricercatori provenienti da istituzioni quali la North Carolina State University, l’Università dello Utah, la Nanjing Normal University, l’Air Force Research Laboratory, l’Università di Washington, l’Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, il National High Magnetic Field Laboratory, l’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, l’Università della Carolina del Sud e la Pennsylvania State University.
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