Il cobalto nascondeva stati quantistici che resistono a temperatura ambiente

Il cobalto è uno dei magneti più studiati sulla Terra, il tipo di elemento che riempie i libri di testo e compare tanto nelle batterie quanto nei motori d’aereo. Alcuni fisici dell’Helmholtz-Zentrum Berlin hanno ora scoperto che nascondeva una fitta rete di stati elettronici esotici, e che quella rete regge a temperatura ambiente.

Gli stati si chiamano linee nodali magnetiche. Sono punti in cui due correnti di elettroni, separate in base alla direzione del loro spin, si incrociano senza scontrarsi e tracciano percorsi continui attraverso il cristallo invece di incontrarsi in punti isolati. Proprietà del genere appartengono alla topologia, il ramo della fisica che descrive tratti così profondamente inscritti nella struttura di un materiale che le perturbazioni ordinarie non riescono a cancellarli. Nel cobalto il gruppo ha trovato questi incroci intrecciati per tutto il metallo, non confinati in un angolo raro.

A colpire non è solo che gli stati esistano, ma che sopravvivano al tepore di una stanza qualunque. La maggior parte del comportamento quantistico che i fisici inseguono compare solo vicino allo zero assoluto, dove il calore viene tolto e gli effetti fragili si lasciano finalmente vedere. Le linee nodali del cobalto persistono centinaia di gradi più in alto, e questa è la differenza tra una curiosità di laboratorio e qualcosa che un dispositivo reale potrebbe usare.

Letture consigliateEnrico Fermi

Per vederle, i ricercatori hanno usato la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo e in spin, una tecnica che strappa elettroni da un materiale con la luce e ne registra sia l’energia sia la direzione dello spin. L’hanno condotta a BESSY II, un sincrotrone di Berlino che produce la luce intensa e finemente regolata che la misura richiede. La risoluzione aggiuntiva ha permesso di mappare la struttura elettronica del cobalto con molto più dettaglio dei lavori precedenti, ed è così che una rete passata inosservata per decenni è infine emersa.

“È esattamente il tipo di funzionalità di accensione e spegnimento che si cerca per le applicazioni pratiche”, afferma Jaime Sánchez-Barriga, che ha guidato il gruppo internazionale. Poiché gli stati sono legati al magnetismo del cobalto, invertire la direzione di un campo magnetico permette di pilotarli, una leva che gli ingegneri desiderano per la spintronica, un’elettronica che codifica l’informazione nello spin dell’elettrone anziché nella carica e promette chip più veloci e più freddi.

Il lavoro è una misura delle proprietà di un materiale, non un dispositivo funzionante, e la distanza è ampia. Mappare stati topologici in un cristallo sotto un fascio di sincrotrone è ben lontano dal costruire un chip che li sfrutti su larga scala, e altri gruppi dovranno riprodurre il risultato e verificare se l’effetto regge fuori da campioni accuratamente preparati. Gli autori descrivono il cobalto come una piattaforma regolabile da esplorare, non come una tecnologia finita.

Eppure il fascino sta in parte proprio nel fatto che il cobalto sia così comune. Un materiale già estratto, raffinato e fabbricato su scala industriale sarebbe molto più facile da adottare dei composti rari o delicati che dominano la ricerca quantistica.

I risultati sono comparsi sulla rivista Communications Materials. Il gruppo intende mappare come rispondono le linee nodali quando si ruota il campo magnetico, il passo successivo per capire se l’architettura nascosta del cobalto possa essere messa al lavoro.

Tag: fisica

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