Magneti topologici: una nuova scoperta promette una svolta tecnologica

Un team dell'Università di Princeton ha scoperto una nuova classe di magneti che esibisce uno strano comportamento quantistico anche a temperatura ambiente. I ricercatori hanno scoperto una fase quantistica topologica in un magnete, fornendo nuovi indizi su come gli elettroni possano quantizzarsi spontaneamente.

Il loro studio si basa sull'effetto Hall quantistico, una teoria che ha vinto il premio Nobel nel 1985. Per la prima volta una braca teorica della matematica e della fisica produce cambiamenti profondi nel modo in cui classifichiamo la materia e il mondo intorno a noi. In un precedente articolo, ad esempio, parlavamo delle straordinarie proprietà dei superconduttori topologici.

"La scoperta di magneti topologici con comportamento quantistico è un passo fondamentale che può sbloccare nuovi orizzonti nella comprensione della topologia quantistica e nello sviluppo di strumenti di nuova generazione," dice M. Zahid Hasan, professore presso Princeton e autore dello studio.

Hasan e il suo team hanno passato l'ultimo decennio a cercare materiali topologici che potessero operare a temperatura ambiente; recentemente hanno trovato una soluzione a questo problema utilizzando un reticolo kagome (un pattern triesagonale, una delle possibili piastrellature uniformi del piano euclideo) capace di funzionare a temperatura ambiente e che mostra il comportamento quantistico desiderato.

"Il reticolo kagome può essere progettato per avere delle bande relativistiche ed interazioni elettrone-elettrone molto forti. Entrambe sono essenziali per gli effetti magnetici. Tuttavia, abbiamo realizzato che i magneti kagome sono sistemi promettenti per cercare fasi magnetiche topologiche in quanto sono simili agli isolanti topologici che avevamo già studiato," spiega Hasan.

Per lungo tempo l'osservazione diretta di questi fenomeni è stata elusiva; il team ha trovato molti problemi: dalla difficoltà di sintetizzare magneti kagome fino alla scarsa conoscenza del magnetismo topologico. I ricercatori hanno realizzato gradualmente che un materiale, composto da terbio, manganese e stagno (TbMn6Sn6) aveva l'ideale struttura cristallina e purezza chimica.

Il team di Princeton ha utilizzato una tecnica avanzata come l'utilizzo del microscopio a effetto tunnel, capace di sondare le funzioni d'onda degli elettroni a scale subatomiche. Grazie a questo strumento hanno confermato le proprietà che stavano cercando.

"La prima sorpresa è stata che il reticolo kagome era estremamente preciso," spiega Songtian Sonia Zhang, co-autrice dello studio. "La misura sperimentale di un reticolo senza difetti offre una opportunità di esplorare le proprietà quantistiche topologiche."

La vera magia è avvenuta quando è stato attivato un campo magnetico e hanno osservato che lo stato degli elettroni cambia drasticamente, formando dei livelli energetici consistenti con la topologia di Dirac. Dopo aver alzato il campo fino a 9 Tesla, centinaia di migliaia di volte più grande di quello terrestre, sono stati in grado di mappare tutti i livelli di questo magnete.

I materiali topologici già sembrano essere importanti nello sviluppo di computer quantistici, tuttavia lo sviluppo di questa classe di materiali è una scoperta importantissima e potrà, nei prossimi anni, portare allo sviluppo di strumenti che non dissipano corrente e tecnologie green di nuova generazione.

"Questo è come scoprire acqua su un esopianeta, apre una nuova frontiera per la ricerca sui materiali quantistici topologici," afferma Hasan.