Magnetic Q-balls

Nel mondo nascosto dei materiali magnetici, minuscole regioni di atomi possono organizzarsi in forme localizzate e stabili che si comportano come particelle. Queste non sono le calamite permanenti che si trovano su un frigorifero, ma piuttosto strutture complesse dove la direzione magnetica si torce e ruota nello spazio, formando strutture come spirali, bolle o pareti. Gli scienziati sono da tempo interessati a un tipo specifico di queste strutture chiamato solitone, che può trasportare una sorta di "carica" interna semplicemente ruotando o girando. Questo concetto, noto come Q-ball, è stato proposto originariamente nell'ambito della fisica delle alte energie per spiegare come i campi possano raggrupparsi. La domanda che i ricercatori si sono posti è se queste stesse strutture rotanti e cariche possano esistere nei magneti solidi utilizzati nella tecnologia quotidiana e, in caso affermativo, come le regole della loro formazione dipendano dal tipo specifico di magnetismo all'interno del materiale.

Un team di fisici ha ora risposto a questa domanda studiando una classe speciale di magneti chiamati magneti chirali. Questi materiali hanno una proprietà unica per cui le loro forze magnetiche interne preferiscono una disposizione a spirale, simile a un filetto di una vite. I ricercatori si sono concentrati su una versione semplificata, monodimensionale, di questi sistemi per vedere come si comportano quando la texture magnetica viene messa in rotazione uniforme. Hanno scoperto che la risposta dipende interamente dal fatto che il materiale sia un antiferromagnete o un ferromagnete, due tipi fondamentali di ordine magnetico che si comportano in modo molto diverso quando viene coinvolto il tempo. Sebbene entrambi i tipi di magneti condividano lo stesso panorama energetico statico, il modo in cui si muovono e ruotano porta a due insiemi completamente diversi di regole per la creazione di queste goccioline rotanti e cariche.

I ricercatori hanno iniziato impostando un modello teorico di un magnete chirale che include tre ingredienti chiave: una forza che torce la direzione magnetica, una forza che cerca di allineare i magneti lungo un asse specifico e un campo magnetico esterno. Hanno poi applicato due diversi set di leggi fisiche per descrivere il movimento di questo sistema. Il primo set di leggi descrive gli antiferromagneti, dove la dinamica magnetica è simile alle onde su una corda, coinvolgendo un cambiamento del secondo ordine nel tempo. Il secondo descrive i ferromagneti, dove il movimento è governato da un effetto geometrico noto come fase di Berry, che agisce come una torsione del primo ordine nell'evoluzione del sistema. Mantenendo la stessa energia statica ma cambiando queste regole dinamiche, il team è riuscito a isolare esattamente come il tipo di magnetismo influenzi la formazione di questi solitoni rotanti.

Nel caso antiferromagnetico, i ricercatori hanno scoperto che la capacità di formare una gocciolina rotante e carica dipende da un effetto combinato della torsione interna del materiale e della velocità della sua rotazione. Man mano che la torsione interna o la velocità di rotazione aumentano, la finestra di condizioni che permettono l'esistenza di queste goccioline si restringe. Se la torsione è troppo forte o la rotazione è troppo veloce, la gocciolina semplicemente non può formarsi. Ciò crea una situazione simmetrica in cui ruotare in senso orario o antiorario funziona ugualmente bene, a patto che la velocità non sia troppo elevata. Le goccioline cariche in questo scenario sono essenzialmente eccitazioni poste sopra un background magnetico che è già sotto stress, rendendole stabili solo entro un intervallo specifico di velocità. Il team ha anche identificato un tipo speciale di struttura chiamato Q-kink, che connette due diversi stati magnetici, ma questo esiste solo quando il campo magnetico esterno è perfettamente bilanciato, una condizione che è piuttosto restrittiva.

La situazione cambia drasticamente quando lo stesso sistema viene trattato come un ferromagnete. Qui, le regole del moto sono diverse a causa della fase di Berry, una proprietà geometrica che collega la rotazione della texture magnetica a uno spostamento effettivo nel campo magnetico esterno. Invece della velocità di rotazione che si aggiunge semplicemente all'energia, essa agisce per aumentare o diminuire il campo magnetico effettivo percepito dal sistema. Ciò significa che la direzione della rotazione diventa fisicamente cruciale. Ruotare in una direzione potrebbe permettere la formazione di una gocciolina attorno al polo magnetico "nord", mentre ruotare nella direzione opposta potrebbe permettere la formazione di una gocciolina attorno al polo "sud". A differenza del caso antiferromagnetico, dove la velocità di rotazione semplicemente restringe la finestra di esistenza, la rotazione ferromagnetica può effettivamente cambiare il tipo di gocciolina consentita, spostando il sistema da un polo magnetico all'altro.

Una scoperta particolarmente sorprendente riguarda la stabilità e l'energia di queste strutture. Nel modello antiferromagnetico, l'energia della gocciolina rotante è simmetrica; ruotare velocemente in una direzione costa la stessa energia che ruotare velocemente nell'altra, solo con una carica opposta. Tuttavia, nel modello ferromagnetico, l'energia non è simmetrica nello stesso modo. I ricercatori hanno dimostrato che una soluzione formale che connette i poli nord e sud, che potrebbe sembrare una particella stabile, è in realtà non un oggetto a energia finita nel caso ferromagnetico, a meno che il campo magnetico esterno non sia zero. Questo perché il termine geometrico che guida il moto non contribuisce all'energia effettiva del sistema nello stesso modo in cui fa per l'antiferromagnete. Di conseguenza, ciò che sembra una particella nelle equazioni è spesso solo un artefatto matematico che non può esistere come oggetto isolato e stabile nel mondo reale per i ferromagneti.

Lo studio conclude che il meccanismo per creare queste texture magnetiche rotanti e cariche è fondamentalmente diverso a seconda della dinamica sottostante del materiale. Per gli antiferromagneti, l'esistenza di queste strutture è un delicato equilibrio tra la torsione interna e la velocità di rotazione, creando una finestra di opportunità simmetrica. Per i ferromagneti, la rotazione agisce come un dial che sposta il campo magnetico effettivo, selezionando diversi tipi di goccioline in base alla direzione dello spin. Questi risultati chiariscono che anche se due materiali sembrano identici quando sono fermi, il loro comportamento quando si muovono può essere radicalmente differente. Questa distinzione è vitale per comprendere come l'informazione magnetica possa essere memorizzata o manipolata nelle tecnologie future, poiché la stabilità e le proprietà di queste goccioline magnetiche rotanti dipenderanno interamente dal fatto che il materiale si comporti come un antiferromagnete o come un ferromagnete.