Exchange-Driven Chiral Magnons and Weyl States in Room-Temperature Metallic XCoB$_2$ (X= Ta, Zr and Hf) Altermagnets

Nel mondo dei materiali solidi, il magnetismo si divide solitamente in due gruppi familiari. C'è il ferromagnete, come il ferro nella porta di un frigorifero, dove tutti i piccoli magneti atomici puntano nella stessa direzione, creando una forte attrazione e un campo che si estende nello spazio circostante. Poi c'è l'antiferromagnete, dove i magneti atomici puntano in direzioni opposte, annullandosi a vicenda così perfettamente da far apparire il materiale magneticamente neutro verso l'esterno. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che queste fossero le uniche due opzioni per il modo in cui gli elettroni e i loro spin possono disporsi all'interno di un cristallo. Tuttavia, una categoria più recente e sottile è emersa di recente, nota come altermagnete. Questi materiali sembrano antiferromagneti perché non hanno un campo magnetico netto, ma si comportano come i ferromagneti in un modo cruciale: gli elettroni che si muovono attraverso di essi sono divisi in due gruppi distinti in base al loro spin, anche senza l'aiuto di atomi pesanti che di solito causano tali effetti. Questa disposizione unica promette di rivoluzionare il modo in cui conserviamo ed elaboriamo le informazioni, ma trovare materiali reali e stabili che esibiscano questo comportamento, specialmente quelli che funzionano a temperatura ambiente, è stata una sfida significativa.

Un team di ricercatori dell'Università di Dhaka ha identificato un nuovo e promettente gruppo di materiali che si adatta perfettamente a questa descrizione. Si sono concentrati su un gruppo di composti metallici composti da cobalto, boro e un terzo elemento metallico — ovvero tantalio, zirconio o afnio. Eseguendo simulazioni informatiche dettagliate basate sulle leggi della meccanica quantistica, gli scienziati hanno scoperto che questi materiali, che formano una specifica struttura cristallina, sono effettivamente altermagneti. La scoperta più eccitante è che due di questi composti, quelli contenenti zirconio e afnio, mantengono il loro ordine magnetico a temperature ben superiori a quella ambiente, rendendoli candidati pratici per la tecnologia futura. I ricercatori non si sono limitati a identificare lo stato magnetico; hanno mappato come gli elettroni si muovono attraverso questi materiali e come le onde di magnetismo, chiamate magnoni, viaggiano attraverso di essi. Hanno scoperto che i materiali possiedono una rara combinazione di caratteristiche: sono metallici, possiedono un tipo speciale di ordine magnetico che divide gli spin elettronici e ospitano punti esotici nella loro struttura energetica noti come nodi di Weyl, che sono legati a proprietà elettriche uniche.

Per capire cosa rende speciali questi materiali, bisogna osservare come sono disposti gli atomi e come interagiscono. Il team ha analizzato la struttura cristallina di questi boruri, che appartengono a una specifica famiglia geometrica nota come ortorombica. In questa disposizione, gli atomi di cobalto formano una griglia in cui i loro momenti magnetici puntano in direzioni alternate, creando uno stato bilanciato a magnetismo netto nullo. Tuttavia, la simmetria del cristallo è tale che non si limita a invertire gli spin; invece, li ruota in un modo che rompe le solite regole di simmetria. Questa specifica disposizione permette ai livelli di energia degli elettroni con spin "su" e "giù" di separarsi, o dividersi, mentre si muovono attraverso il materiale. I ricercatori hanno calcolato che questa divisione è sostanziale, raggiungendo valori superiori a 200 millielettronvolt in alcuni casi, un valore sufficientemente grande da essere facilmente rilevato e utilizzato. Questa divisione non è casuale; segue un modello preciso dettato dalla geometria del cristallo, creando un paesaggio in cui gli elettroni con spin diversi viaggiano lungo percorsi differenti.

Lo studio ha anche approfondito il comportamento dei magnoni, che sono onde collettive di magnetismo che si propagano attraverso il materiale, in modo simile a come le onde sonore viaggiano nell'aria. Nella maggior parte dei materiali magnetici, queste onde si presentano in coppie che hanno la stessa energia. Ma in questi nuovi altermagneti, i ricercatori hanno scoperto che le onde si dividono in due rami distinti con energie diverse, un fenomeno noto come scissione dei magnoni chirali. Ciò accade perché le forze magnetiche tra gli atomi di cobalto non sono tutte uguali; nello specifico, le interazioni tra atomi che si trovano a sei passi di distanza nel reticolo cristallino differiscono a seconda del percorso che compiono. Questa sottile differenza nella "colla" magnetica che tiene insieme gli atomi è sufficiente a sollevare la degenerazione di energia delle onde di magnoni. Il team ha calcolato che questa scissione raggiunge fino a 3,10 millielettronvolt, un valore che è abbastanza grande da poter essere misurato utilizzando una tecnica chiamata scattering anelastico di neutroni, che consiste nel far rimbalzare i neutroni sul materiale per vedere come esso vibra.

Uno degli aspetti più critici di questa scoperta è la temperatura alla quale questi materiali rimangono magnetici. I ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato simulazione Monte Carlo, che consiste nel eseguire migliaia di esperimenti virtuali per vedere come si comporta il materiale mentre si riscalda. Hanno scoperto che il composto con il tantalio perde il suo ordine magnetico a una temperatura relativamente bassa, circa 67 Kelvin, che è ben al di sotto dello zero. Tuttavia, i composti con zirconio e afnio sono molto più robusti. Il materiale a base di zirconio rimane magnetico fino a 330 Kelvin, e quello a base di afnio regge fino a 307 Kelvin. Poiché la temperatura ambiente è di circa 293 Kelvin, ciò significa che i composti di zirconio e afnio sono stabili e funzionali negli ambienti quotidiani, una caratteristica rara e preziosa per qualsiasi materiale magnetico destinato all'uso in dispositivi elettronici.

Oltre alle loro proprietà magnetiche, questi materiali esibiscono anche caratteristiche topologiche che li rendono ancora più interessanti. Quando i ricercatori hanno incluso gli effetti dell'accoppiamento spin-orbita — un'interazione relativistica tra lo spin di un elettrone e il suo moto — hanno scoperto che le bande di energia degli elettroni si incrociano in punti specifici, creando quelli che sono noti come nodi di Weyl. Questi nodi agiscono come sorgenti e pozzi di un tipo speciale di curvatura nel paesaggio elettronico del materiale. A causa di questa struttura, si prevede che i materiali generino un forte effetto Hall anomalo, un fenomeno in cui una corrente elettrica che fluisce attraverso il materiale crea una tensione perpendicolare al flusso, il tutto senza la necessità di un campo magnetico esterno. La forza calcolata di questo effetto è significativa, raggiungendo centinaia di unità di conduttività, il che suggerisce che questi materiali potrebbero essere altamente efficienti nel convertire calore o correnti di spin in segnali elettrici.

I ricercatori hanno anche tracciato le origini microscopiche di queste proprietà risalendo ai modi specifici in cui gli atomi sono connessi. Hanno scoperto che la scissione delle onde di magnoni è guidata da interazioni a lungo raggio tra gli atomi di cobalto che sono separati da una distanza considerevole all'interno del cristallo. Queste interazioni sono mediate dal boro e dal terzo elemento metallico tra di essi. Nei composti di zirconio e afnio, il percorso attraverso gli atomi di boro crea un collegamento ferromagnetico, mentre il percorso attraverso gli atomi metallici crea un collegamento antiferromagnetico. Poiché questi due percorsi non sono identici in lunghezza o disposizione atomica, essi esercitano forze leggermente diverse, ed è questa differenza che guida l'unica scissione chirale delle onde magnetiche. Questa comprensione dettagliata delle forze su scala atomica fornisce una linea guida per come progettare materiali simili in futuro.

In sintessa, questo lavoro identifica una nuova classe di altermagneti metallici che combinano magnetizzazione netta nulla con una grande scissione di spin e stabilità a temperatura ambiente. La scoperta di queste proprietà nei boruri di zirconio e afnio offre una piattaforma singola dove sia la chiralità elettronica che quella magnetica possono coesistere senza l'interferenza di campi magnetici estranei. Questa doppia capacità, supportata dalla presenza di nodi di Weyl e forti risposte Hall anomale, posiziona questi materiali come forti candidati per i dispositivi spintronici di prossima generazione. Le scoperte si basano su rigorosi calcoli e simulazioni di primo principio, fornendo una solida base teorica per gli sperimentali che devono sintetizzare e testare questi composti in laboratorio. Se confermati sperimentalmente, questi materiali potrebbero aprire nuove strade per lo sviluppo di tecnologie ultra-veloci ed efficienti dal punto di vista energetico che operano a temperatura ambiente, colmando il divario tra la fisica quantistica fondamentale e l'ingegneria pratica.