L'elettromagnetismo impossibile di un cristallo simmetrico

Il magnetismo e l’elettricità sono collegati in modi che possono essere molto strani, compreso l’effetto magnetoelettrico che appare in alcuni cristalli.Ultimamente le cose sono diventate ancora più strane; gli scienziati hanno scoperto un nuovo cristallo, la langasite, che mostra delle proprietà che sono teoricamente impossibili.

Il cristallo ha una struttura altamente simmetrica e dovrebbe impedire l'emergere di effetti magnetoelettrici, in cui le proprietà elettriche vengono influenzate dal campo magnetico e viceversa. Questo tipo di fenomeni ha sempre un origine quantistica, come nel caso della risonanza elettrica.

“Se le proprietà magnetiche e elettriche sono accoppiate o no, dipende dalla simmetria interna del cristallo,” spiega Andrei Pimenov, Vienna University of Technology (TU Wien) in Austria.

Se il cristallo ha un alto grado di simmetria, cioè quando un lato è l’immagine specchiata di quello opposto, per ragioni teoriche non possono esserci effetti magnetoelettrici. Il caso della langasite è particolare, non solo il cristallo è simmetrico e comunque in grado di accoppiare gli effetti elettrici e magnetici, ma le proprietà sono di un tipo mai visto prima.

Gli scienziati affermano che, anche se il cristallo è geometricamente simmetrico, i momenti magnetici degli atomi di Olmio rompono la simmetria facendo emergere delle proprietà quantistiche. Questa rottura significa l’esistenza della polarizzazione, quando le cariche positive e negative si distanziano tra di loro. Questo è facile da fare con un campo elettrico ma la langasite riesce a polarizzarsi anche con dei campi magnetici, la chiave di volta è l’intensità del campo.

“La struttura del cristallo è così simmetrica che non dovrebbe permettere l’esistenza di effetti magnetoelettrici,” dice Andrei Pimenov. “Se aumentiamo l’intensità del campo magnetico, accade qualcosa di notevole: lo stato quantistico degli atomi di Olmio cambia e questi guadagnano un momento magnetico. Questo rompe la simmetria interna del cristallo.”

In particolare, la langasite mostra una relazione fortemente non lineare tra la direzione del campo magnetico e quella del momento magnetico dell’atomo. Questo è l’aspetto totalmente nuovo: una piccola variazione nella direzione del campo può generare degli effetti grandissimi sulla polarizzazione del materiale.

Può sembrare che siano solo risvolti teorici, ma ci sono delle importanti applicazioni pratiche: le proprietà magnetoelettriche sono fondamentali nello sviluppo di sensori e di hard disk. Anche se ci teniamo a ricordare che "quantistico" è diverso da "fantascientifico", questi risultati promettono dei grandi avanzamenti tecnologici.