Scoperta che sostituisce magneti e batterie
I fononi chirali sono la scoperta che elimina magneti e batterie Uno studio su Nature Physics presenta un meccanismo innovativo per generare momento angolare orbitale negli elettroni senza l'uso di magneti.
L'esigenza di nuove vie per l'orbitronica
Nella fisica della materia condensata, trovare alternative ai materiali magnetici tradizionali per il controllo del comportamento elettronico è un obiettivo primario per lo sviluppo digitale. La crescente domanda computazionale richiede soluzioni capaci di superare i limiti fisici ed economici dei componenti attuali. In questo scenario si sviluppa l'orbitronica, una disciplina che utilizza il momento angolare orbitale degli elettroni — ovvero il loro moto attorno al nucleo atomico — come vettore di informazione, superando il tradizionale utilizzo della sola carica elettrica o dello spin.
Un nuovo studio pubblicato su Nature Physics, condotto da un consorzio internazionale guidato dalla North Carolina State University, descrive un meccanismo inedito per generare momento angolare orbitale omettendo la necessità di metalli di transizione specifici, magneti permanenti o correnti elettriche indotte.
Cosa sono i fononi chirali
Il nucleo di questa scoperta si basa sull'utilizzo dei fononi chirali. In fisica dello stato solido, un fonone è una quantizzazione delle vibrazioni meccaniche degli atomi all'interno di un reticolo cristallino. Nei materiali caratterizzati da una geometria asimmetrica a spirale, come l'α-quarzo, l'energia termica fa sì che gli atomi non vibrino semplicemente avanti e indietro lungo una singola asse. Al contrario, gli atomi si muovono seguendo traiettorie circolari o ellittiche tridimensionali sincronizzate.
Questa propagazione d'onda rotatoria prende il nome di fonone chirale. Poiché la massa degli atomi si sposta fisicamente in circolo all'interno del reticolo, il fonone stesso genera e trasporta un momento angolare intrinseco.
In un materiale chirale, questa rotazione meccanica e collettiva degli atomi possiede l'energia e la direzione necessarie per interagire direttamente con gli elettroni presenti nel materiale. Gli scienziati hanno dimostrato sperimentalmente che il momento angolare meccanico dei fononi chirali viene ceduto agli elettroni sotto forma di momento angolare orbitale. Questo trasferimento aggira la dipendenza dai metalli di transizione, materiali che attualmente comportano criticità legate all'approvvigionamento e ai costi.
Le dichiarazioni dei ricercatori e le misurazioni
Dali Sun, fisico della North Carolina State University e coautore dello studio, ha precisato l'impatto pratico di questo studio: "La generazione di correnti orbitali richiede tradizionalmente l'iniezione di corrente di carica in determinati metalli di transizione, molti dei quali sono oggi classificati come materiali critici. Questo metodo consente invece di utilizzare materiali più economici e abbondanti."
L'efficienza concettuale del sistema è stata ribadita da Valy Vardeny, professore del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università dello Utah: "Non abbiamo bisogno di un magnete, di una batteria né di una tensione. Basta un materiale con fononi chirali. Prima era inimmaginabile."
A livello sperimentale, i ricercatori hanno utilizzato l'α-quarzo. Allo stato naturale, i fononi chirali in questo materiale presentano direzioni di rotazione miste (destrorse e sinistrorse) che annullano l'effetto globale. Il team ha applicato un campo magnetico esterno iniziale per allineare i fononi in un'unica direzione di rotazione. Avvenuto l'allineamento, il trasferimento di momento angolare agli elettroni ha iniziato a operare spontaneamente e ha continuato a funzionare anche in assenza del campo magnetico iniziale. Gli autori hanno definito questo flusso "effetto Seebeck orbitale".
Per misurare la corrente orbitale prodotta, i ricercatori hanno depositato strati sottili di tungsteno e titanio sulla superficie del quarzo, convertendo il momento angolare in un segnale elettrico leggibile dagli strumenti. Parallelamente, sfruttando le strumentazioni ottiche del National High Magnetic Field Laboratory in Florida, hanno misurato le variazioni spettrali della luce laser riflessa dal quarzo. I risultati hanno confermato in via diretta che i fononi chirali inducono un segnale magnetico netto all'interno di un cristallo strutturalmente non magnetico.
Prospettive e sviluppi futuri
Rikard Bodin, ricercatore dell'Università dello Utah, descrive così le implicazioni a lungo termine: "Anche se il materiale di per sé non è magnetico, l'esistenza dei fononi chirali ci offre nuove leve su cui agire. Ora che è qui, qualcun altro potrà spingerlo avanti e prima che ce ne rendiamo conto sarà ovunque."
Il principio dimostrato sul quarzo è teoricamente applicabile a diverse altre classi di materiali chirali, inclusi il tellurio, il selenio e le perovskiti ibride organico-inorganiche. Rispetto alle architetture convenzionali, l'orbitronica basata su fononi chirali promette di ridurre il numero di componenti hardware necessari e di prolungare la coerenza temporale del momento angolare, requisiti tecnici indispensabili per l'eventuale commercializzazione.
Le fasi successive della ricerca dovranno determinare il limite massimo di efficienza nel trasferimento di momento angolare tra reticolo ed elettroni, nonché verificare la compatibilità delle strutture chirali con le attuali infrastrutture globali per la fabbricazione microelettronica.
“Questo articolo ha beneficiato dell’assistenza di Gemini, un modello linguistico AI”
