Cage-enforced i-wave altermagnetism in boron-carbon clathrates

Il magnetismo è solitamente una storia di equilibrio. Nella maggior parte dei materiali magnetici, piccoli magneti atomici puntano nella stessa direzione, creando una forte attrazione che può sollevare una graffetta o attaccare un appunto al frigorifero. In altri materiali, questi magneti atomici puntano in direzioni opposte, annullandosi a vicenda in modo che il materiale risulti non magnetico per il mondo esterno. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che quando questi magneti opposti si annullavano, anche gli elettroni che scorrevano attraverso il materiale si annullassero, non lasciando alcuna traccia della loro natura magnetica. Tuttavia, una nuova classe di materiali chiamata altermagneti ha ribaltato questa idea. In queste sostanze, i magneti atomici opposti sono disposti in un modo che crea una divisione nascosta e dipendente dal momento dell'energia degli elettroni. È come se il materiale selezionasse segretamente i suoi elettroni in due gruppi in base alla velocità con cui si muovono, anche se il materiale stesso appare magneticamente neutro. La sfida è stata trovare un materiale in cui questo effetto non fosse solo un colpo di fortuna dovuto a una specifica forma cristallina, ma una caratteristica robusta e controllabile.

Un team di ricercatori dell'Università Rutgers ha identificato un gruppo di materiali che funge da palcoscenico perfetto per questo fenomeno, nello specifico un composto composto da gadolinio, boro e carbonio. Hanno scoperto che la struttura cristallina di questo materiale agisce come una gabbia rigida che costringe gli atomi magnetici in una disposizione specifica, garantendo un tipo di comportamento magnetico raro e potente. Nelle loro simulazioni, i ricercatori hanno scoperto che questa disposizione crea una massiccia differenza di energia tra i due gruppi di elettroni, una divisione abbastanza grande da essere facilmente misurata. Inoltre, poiché gli atomi magnetici in questo materiale sono molto flessibili, i ricercatori hanno dimostrato che semplicemente cambiando la direzione dell'ordine magnetico interno si potrebbe attivare o disattivare un particolare effetto ottico, creando di fatto un interruttore luminoso che funziona senza alcun campo magnetico netto.

Il materiale al centro di questa scoperta è un clatrato, una parola che descrive una struttura in cui un insieme di atomi forma una gabbia attorno a un altro. In questo caso, una rete di atomi di boro e carbonio si incastra insieme per formare una struttura rigida e tridimensionale. All'interno degli spazi vuoti di questa struttura si trovano gli atomi di gadolinio, un metallo delle terre rare noto per le sue forti proprietà magnetiche. I ricercatori si sono concentrati su una versione specifica di questa gabbia in cui gli atomi di boro e carbonio sono disposti in un modello alternato preciso. Questo ordine è la chiave. In una versione più semplice e ipotetica di questa gabbia, dove il boro e il carbonio sarebbero identici, i due atomi di gadolinio all'interno sarebbero collegati da uno scorrimento semplice, o traslazione, che li farebbe comportare come un magnete standard e banale. Ma poiché il boro e il carbonio sono diversi, quello scorrimento semplice è interrotto. L'unico modo per passare da un atomo di gadolinio all'altro è ruotare l'intera struttura.

Questo vincolo geometrico costringe i due atomi di gadolinio a relazionarsi tra loro attraverso la rotazione piuttosto che attraverso lo scorrimento. I ricercatori hanno scoperto che questa specifica relazione rotazionale crea un tipo unico di altermagnetismo, che chiamano "i-wave". Questo nome si riferisce alla complessa forma a sei lati della divisione energetica, che svanisce lungo sei piani specifici nello spazio del momento interno del materiale. Si tratta di una simmetria di alto ordine che era stata prevista in teoria ma che, a conoscenza dei ricercatori, non era mai stata riportata in un materiale reale e massivo fino ad ora. I ricercatori hanno confermato attraverso calcoli rigorosi che questo comportamento non è un capriccio dell'atomo di gadolinio, ma una proprietà della gabbia. Hanno dimostrato che se si scambiasse il gadolinio con qualsiasi altro atomo magnetico, la gabbia imporrebbe comunque lo stesso comportamento i-wave, a condizione che l'atomo sia in uno stato in cui i suoi momenti magnetici siano bilanciati.

Per dimostrare ciò, il team ha eseguito simulazioni informatiche dettagliate del composto di gadolinio, noto come GdB3C3. Hanno calcolato i livelli energetici degli elettroni e hanno scoperto che il materiale è previsto essere un semiconduttore con un gap stretto, il che significa che non conduce elettricità facilmente a meno che non venga aggiunta energia. Fondamentalmente, hanno scoperto che i due gruppi di elettroni, che corrispondono alle due direzioni magnetiche opposte, sono separati da una differenza di energia di 0,19 elettronvolt al bordo della banda di conduzione. Questa è una divisione significativa, abbastanza grande da essere rilevata da strumenti sperimentali standard. Le simulazioni hanno anche rivelato che questa divisione non è uniforme; è zero su sei piani specifici e raggiunge la sua massima forza negli spazi tra di essi, corrispondendo perfettamente al modello a sei lati della "i-wave" previsto dalla simmetria della gabbia.

I ricercatori hanno anche investigato quanto questo materiale sarebbe stabile nel mondo reale. Hanno scoperto che, sebbene il composto sia più stabile sotto alta pressione, rimane dinamicamente stabile alla pressione atmosferica normale, il che significa che gli atomi non collasserebbero o vibrerebbero fino a distruggersi se la pressione venisse rimossa. Ciò suggerisce che il materiale potrebbe essere sintetizzato in un laboratorio comprimendo gli elementi insieme e poi mantenendo la struttura risultante dopo che la pressione è stata rimossa, un metodo che è già stato utilizzato per creare gabbie boro-carbonio simili con diversi atomi ospiti. I calcoli hanno mostrato che lo stato magnetico degli atomi di gadolinio è molto vicino in energia a uno stato non magnetico, suggerendo che il materiale potrebbe essere commutato tra questi stati con una piccola quantità di deformazione o un campo magnetico.

Forse la scoperta più sorprendente riguarda il modo in cui questo materiale interagisce con la luce. Poiché i momenti magnetici degli atomi di gadolinio sono molto debolmente legati al reticolo cristallino, possono essere facilmente ruotati. I ricercatori hanno dimostrato che il modo in cui il materiale assorbe la luce dipende dalla direzione di questi momenti magnetici. Quando la luce attraversa il materiale, la forza dell'assorbimento cambia a seconda che la luce ruoti in senso orario o in senso antiorario. Questo effetto, noto come risposta dipendente dall'elicità, è completamente spento se i momenti magnetici puntano in certe direzioni, come dritto verso l'alto o verso il basso, ma si accende quando puntano in altre direzioni. Ciò significa che semplicemente ruotando l'ordine magnetico interno, si potrebbe attivare o disattivare la risposta ottica del materiale senza generare alcun campo magnetico netto.

Lo studio non sostiene di aver costruito ancora questo materiale, ma fornisce una chiara tabella di marcia per farlo. I ricercatori hanno dimostrato, attraverso calcoli rigorosi, che la gabbia boro-carbonio agisce come un ospite universale capace di imporre questo stato magnetico esotico a qualsiasi ospite magnetico. Hanno escluso l'idea che questo comportamento dipenda dai dettagli specifici dell'atomo di gadolinio, mostrando invece che è una conseguenza della geometria della gabbia. Il lavoro suggerisce che questa famiglia di materiali offre una nuova piattaforma per controllare il magnetismo e la luce, dove la struttura del materiale stesso detta le regole del gioco. Separando il ruolo dell'atomo magnetico da quello della struttura cristallina, i ricercatori hanno trovato un modo per progettare proprietà magnetiche che siano robuste, regolabili e potenzialmente utili per le tecnologie future che si basano sull'interazione tra luce e magnetismo.