Per decenni, gli scienziati hanno riconosciuto solo due tipi principali di magneti.
Uno è il comune ferromagnete, quello che si trova nei magneti dei frigoriferi e in innumerevoli dispositivi di uso quotidiano. L’altro è l’antiferromagnete, le cui proprietà magnetiche sono nascoste a livello atomico, ma che hanno suscitato un interesse crescente per il loro potenziale utilizzo in tecnologie avanzate.
Più recentemente, i ricercatori hanno identificato una terza categoria nota come altermagnet. Proposti per la prima volta nell’ultimo decennio, questi materiali potrebbero combinare alcune delle caratteristiche più utili sia dei ferromagneti che degli antiferromagneti, aprendo potenzialmente la strada a dispositivi elettronici più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.
Ora, i fisici dell’Università di Buffalo hanno proposto un nuovo approccio di rilevamento quantistico che potrebbe rendere molto più facile l’identificazione degli agenti alternativi.
Il metodo proposto, descritto sulla rivista Physical Review Letters , permetterebbe di rilevare come un sospetto alternante magnetico influenzi un minuscolo difetto magnetico all’interno di un diamante vicino. Monitorando il rilassamento del segnale magnetico del difetto nel tempo, i ricercatori potrebbero essere in grado di identificare i segni rivelatori dell’altermantismo.
“Questo potrebbe essere il primo tassello di una nuova generazione di esperimenti che determinano se un materiale è un altermagnet”, afferma l’autore corrispondente Jamir Marino, PhD, professore assistente presso il Dipartimento di Fisica del College of Arts and Sciences dell’Università di Buffalo. “Gli altermagnet potrebbero rivoluzionare completamente il modo in cui trasportiamo le informazioni, ma per confermare la veridicità di questa elegante teoria, abbiamo bisogno di esperimenti che identifichino gli altermagnet e confermino che si comportino come previsto dagli scienziati.”
Tra i coautori dello studio figurano gli ex colleghi di Marino, Libor Šmejkal e Jairo Sinova dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza, i ricercatori che originariamente proposero il concetto di magneti alternativi.
“Questa tecnica di rilevamento potrebbe diventare uno strumento molto importante per esplorare potenziali materiali alternativi magnetici”, afferma Sinova. “Offre vantaggi rispetto alle tecniche sperimentali convenzionali, rilevando sottili pattern magnetici direzionali in diverse regioni di un materiale senza alterarlo in modo significativo.”
Cosa rende Altermagnets diversi dagli altri?
L’idea dell’altermagnetismo è emersa nel 2019 quando i ricercatori di Magonza si sono imbattuti in un comportamento che non poteva essere spiegato né dai ferromagneti né dagli antiferromagneti.
I loro calcoli suggerivano che il diossido di rutenio non dovesse presentare magnetizzazione complessiva, proprio come un antiferromagnete. Tuttavia, se sottoposto a corrente elettrica, sembrava comportarsi più come un ferromagnete.
Quel risultato inatteso ha portato allo sviluppo del concetto di magnete alternativo.
Nei magneti convenzionali, gli atomi e gli spin dei loro elettroni si dispongono tipicamente secondo schemi relativamente semplici. Nei materiali ferromagnetici, gli spin degli elettroni vicini puntano nella stessa direzione, creando un campo magnetico esterno. Poiché questi spin possono essere commutati con relativa facilità, i materiali ferromagnetici sono ampiamente utilizzati per l’archiviazione di informazioni.
Gli antiferromagneti funzionano in modo diverso. Gli spin adiacenti puntano in direzioni opposte, annullando reciprocamente i loro effetti magnetici. Sebbene questa configurazione sia più difficile da controllare, permette di cambiare stato molto più rapidamente, rendendo gli antiferromagneti interessanti per le future tecnologie di elaborazione delle informazioni.
Gli altermagnet occupano una posizione intermedia. Come gli antiferromagneti, il loro magnetismo complessivo si annulla. Tuttavia, la disposizione degli atomi all’interno del materiale fa sì che gli elettroni si comportino in modi normalmente associati ai ferromagneti.
“Questa configurazione permette agli altermagnet di combinare il rapido comportamento di commutazione degli antiferromagneti con alcune delle proprietà elettroniche più facilmente controllabili dei ferromagneti”, afferma Marino.
Utilizzo dei difetti del diamante per rilevare il magnetismo nascosto
Ricercatori di Magonza e di altre città hanno già segnalato sperimentalmente la presenza di alternanza magnetica in diversi materiali. Studi teorici suggeriscono che la classe di materiali potrebbe essere molto più ampia, con oltre 200 materiali potenzialmente classificabili come alternanti magnetici. Si tratterebbe di un numero più che doppio rispetto ai materiali ferromagnetici conosciuti.
Per contribuire all’identificazione di questi candidati, il team di Marino ha sviluppato la propria tecnica di rilevamento quantistico.
Questo approccio si basa su un diamante contenente un difetto magnetico microscopico formato da un atomo di azoto e da un atomo di carbonio adiacente mancante. Questi difetti sono eccezionalmente sensibili all’attività magnetica circostante.
Negli esperimenti proposti, i ricercatori ruoterebbero lo spin magnetico del difetto in diverse direzioni e misurerebbero la velocità con cui si rilassa. Se il rilassamento avviene più rapidamente in determinate direzioni rispetto ad altre, tale comportamento potrebbe rivelare le complesse configurazioni di spin previste per gli altermagnet.
Un importante vantaggio di questa tecnica è che risulterebbe meno invasiva rispetto a molti metodi attualmente utilizzati per studiare i materiali magnetici.
“È importante evitare che la misurazione perturbi eccessivamente il materiale in esame, perché in tal caso diventerebbe più difficile distinguere se si sta osservando il comportamento naturale del materiale o un comportamento causato dall’esperimento”, afferma Marino.
Verso un’elettronica più veloce ed efficiente
Marino sottolinea che il sistema di rilevamento al momento esiste solo come proposta teorica. Il team lo ha sviluppato utilizzando modelli sofisticati che simulano la dinamica quantistica, ma sarà comunque necessaria una validazione sperimentale prima che i ricercatori possano stabilire se sia in grado di identificare in modo affidabile i magneti alternativi.
“Identificare in modo efficiente i materiali altermamagnetici è un passo cruciale verso il loro eventuale utilizzo futuro nell’elettronica”, afferma Marino. “Gli altermamagnetici renderebbero il trasporto di informazioni radicalmente più efficiente. Ciò potrebbe consentire alla tecnologia di miniaturizzarsi e di consumare meno energia.”
Tra gli altri coautori figurano Hossein Hosseinabadi, PhD, ex studente di dottorato nel laboratorio di Marino e ora illustre ricercatore post-dottorato indipendente presso il Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems in Germania, e VASV Bittencourt dell’Università di Strasburgo/Max Planck Institute for the Science of Light.
La ricerca è stata finanziata dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG).
Abstract
La rilevazione quantistica con singoli difetti di spin si è affermata come una piattaforma versatile per sondare le proprietà microscopiche dei sistemi di materia condensata. In questo lavoro dimostriamo che la rilassometria quantistica con centri azoto-vacanza (NV) nel diamante può rivelare la dinamica di spin anisotropa degli isolanti altermagnetici insieme alle loro caratteristiche bande polarizzate in spin. Mostriamo che il tasso di rilassamento dipendente dalla distanza e dall’orientamento di un’impurità quantistica vicina codifica le firme dell’anisotropia dello spazio dei momenti nella risposta di diffusione di spin, un segno distintivo dell’ordine altermagnetico. Questa sensibilità direzionale è senza precedenti nel panorama della rilevazione quantistica dei materiali e consente di distinguere gli altermagnet dagli antiferromagneti convenzionali tramite misurazioni locali e non invasive. I nostri risultati potrebbero stimolare nuovi esperimenti di rilevazione NV sul trasporto di spin e sulla rottura di simmetria negli altermagnet e sottolineano il ruolo dell’orientamento NV per sondare i fenomeni anisotropi nei sistemi di materia condensata.
Materials provided by University at Buffalo. Note: Content may be edited for style and length.
V. A. S. V. Bittencourt, Hossein Hosseinabadi, Jairo Sinova, Libor Šmejkal, Jamir Marino. Quantum Impurity Sensing of Altermagnetic Order. Physical Review Letters, 2026; 136 (14) DOI: 10.1103/2ppn-kvjv
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