Pressure-correlation phase diagram unraveling quantum phase transitions in altermagnetic $\epsilon$-FeOOH and realization of piezo-anomalous Hall effect

Nel profondo della Terra, sotto il peso schiacciante di rocce e calore, i minerali si comportano in modi che sembrano impossibili in superficie. Possono restringersi, cambiare la loro struttura interna o persino alterare il modo in cui le loro minuscole parti magnetiche si allineano. Questo è il regno della fisica delle alte pressioni, un campo dedicato a comprendere come la materia si trasformi quando viene compressa. Tra i materiali più affascinanti in questo dominio ci sono gli ossiidrossidi di ferro, minerali che contengono ferro, ossigeno e idrogeno. Questi composti non sono solo curiosità geologiche; sono laboratori di fisica quantistica. Quando vengono compressi, gli elettroni al loro interno possono passare da uno stato all'altro, cambiando il materiale da un magnete a un non-magnete, o da un isolante che blocca l'elettricità a un conduttore che la lascia fluire. Gli scienziati sanno da tempo che la pressione può innescare questi cambiamenti, ma la mappa esatta di come avvengano queste transizioni, e quali forze le guidino, è rimasta un enigma.

Un team di ricercatori dell'Indian Institute of Technology Madras ha ora tracciato una mappa dettagliata di queste trasformazioni per un minerale specifico chiamato epsilon-FeOOH. Utilizzando potenti simulazioni al computer per mimare gli effetti della pressione estrema, hanno scoperto che questo minerale non cambia solo una o due volte mentre viene compresso; subisce una serie di distinti interruttori guidati dalla pressione. Lo studio rivela che il minerale attraversa tre punti critici di pressione dove la sua natura fondamentale si ribalta. Al primo punto critico, gli elettroni si riorganizzano, facendo sì che il materiale passi da uno stato di alto spin, in cui i momenti magnetici sono grandi, a uno stato di basso spin, in cui sono più piccoli. Questo spostamento non è solo un cambiamento magnetico; altera anche il modo in cui il materiale conduce l'elettricità, passando da un tipo di comportamento isolante a un altro. A un secondo punto critico di pressione, la struttura cristallina del minerale stesso cambia, passando da una disposizione non simmetrica a una perfettamente simmetrica. Infine, a un terzo punto critico, la direzione in cui punta il magnetismo interno del materiale cambia di nuovo.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente eccitante è la connessione tra questi cambiamenti interni e un fenomeno noto come effetto Hall anomalo. In termini semplici, questo effetto descrive come un materiale possa generare una tensione attraverso la sua larghezza quando fluisce attraverso di esso una corrente elettrica, anche senza un campo magnetico esterno. Di solito, ciò accade in materiali con specifiche proprietà magnetiche. I ricercatori hanno scoperto che l'epsilon-FeOOH è speciale perché può accendere e spegnere questo effetto, e persino cambiare la direzione della tensione, semplicemente applicando pressione. Questo accade perché il materiale possiede un ordine magnetico unico chiamato altermagnetismo, in cui gli spin magnetici sono disposti in un modo che permette questa risposta elettrica in determinate condizioni. Lo studio mostra che comprimendo il minerale a diversi gradi, si può attivare l'effetto Hall anomalo a una pressione inferiore e poi ruotarne la direzione a una pressione più alta. Questo crea quello che gli autori chiamano un "effetto Hall piezo-anomalo", un modo per controllare l'elettricità usando la forza meccanica.

I ricercatori sono giunti a queste conclusioni costruendo un modello virtuale del minerale e sottoponendolo a livelli crescenti di pressione nei loro calcoli. Hanno tracciato come gli elettroni si muovevano, come gli atomi si spostavano e come cambiavano le forze magnetiche. Hanno scoperto che la transizione dallo stato di alto spin allo stato di basso spin è guidata da una competizione tra due forze: il campo cristallino, ovvero l'ambiente elettrico creato dagli atomi circostanti, e l'accoppiamento di Hund, una regola quantistica che favorisce elettroni con spin paralleli. Man mano che la pressione aumenta, il campo cristallino diventa più forte, finendo per sovrastare l'accoppiamento di Hund e forzando gli elettroni nello stato di basso spin. Questa transizione avviene a una pressione che dipende fortemente da quanto gli elettroni si respingono tra loro. Al contrario, il cambiamento strutturale dalla fase non simmetrica a quella simmetrica avviene a una pressione che è ampiamente unaffected dalle interazioni elettroniche, avvenendo a circa 45 gigapascal. Questo spostamento strutturale si allinea con precedenti osservazioni sperimentali, dando ai ricercatori fiducia nel loro modello.

Lo studio chiarisce anche la direzione del magnetismo interno del materiale, nota come asse di quantizzazione dello spin. A basse pressioni, i momenti magnetici puntano in una direzione, ma man mano che la pressione sale oltre una specifica soglia, essi ruotano per puntare in una direzione diversa. I ricercatori hanno scoperto che il materiale esibisce l'effetto Hall anomalo solo quando i momenti magnetici puntano lungo determinati assi. Quando i momenti puntano lungo un asse, l'effetto è nullo. Quando passano a un altro asse, l'effetto si attiva. Quando cambiano di nuovo a una pressione più alta, la direzione dell'effetto ruota. Questo controllo preciso sulla risposta elettrica attraverso la pressione meccanica suggerisce che l'epsilon-FeOOH potrebbe essere un materiale unico per le tecnologie future che si affidano alla manipolazione simultanea delle proprietà magnetiche ed elettriche. Il lavoro fornisce un diagramma di fase completo, mostrando esattamente dove avvengono queste transizioni e come siano collegate alle forze quantistiche sottostanti.

Uno dei contributi chiave di questa ricerca è la validazione di recenti scoperte sperimentali pur colmando le lacune teoriche mancanti. Studi precedenti avevano osservato cambiamenti strutturali e accenni di transizioni di spin, ma l'immagine completa di come questi eventi siano correlati tra loro non era chiara. Le simulazioni mostrano che il cambiamento strutturale e il crossover dello spin avvengono a pressioni diverse, risolvendo un'ambiguità di lunga data. Inoltre, l'identificazione dell'altermagnetismo sia nella fase a bassa pressione che in quella ad alta pressione del minerale è un risultato significativo. L'altermagnetismo è uno stato della materia recentemente scoperto che combina caratteristiche del ferromagnetismo e dell'antiferromagnetismo, e trovare tale stato in un minerale modulabile tramite pressione come questo apre nuove strade per l'indagine. I ricercatori sottolineano che, sebbene i loro risultati si basino su simulazioni al computer, essi si allineano strettamente con i dati sperimentali, come la pressione specifica in cui avviene il cambiamento strutturale e la direzione dell'asse di spin all'equilibrio.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice comprensione di un singolo minerale. Dimostrano che la pressione può essere utilizzata come uno strumento preciso per sintonizzare le proprietà quantistiche nei sistemi di elettroni correlati. La capacità di attivare un effetto Hall e ruotarne la direzione senza cambiare la composizione chimica del materiale è una capacità rara e preziosa. I ricercatori suggeriscono che questo effetto Hall piezo-anomalo potrebbe essere un nuovo meccanismo per progettare sensori o dispositivi di memoria che rispondono allo stress meccanico. Tuttavia, rimangono cauti, notando che queste scoperte sono attualmente teoriche e basate sulle specifiche condizioni modellate nel loro studio. La vera prova arriverà dai futuri esperimenti che potranno replicare queste condizioni di alta pressione e misurare direttamente le risposte elettriche previste. Per ora, lo studio offre una mappa chiara e dettagliata di un complesso paesaggio quantistico, mostrando come l'interazione tra pressione, repulsione elettronica e struttura cristallina possa essere sfruttata per creare nuovi e controllabili fenomeni fisici.